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Die Herstellung hydrothermal erhärteter Granulate ist eine Möglichkeit zur Wiederverwertung von ziegelhaltigem Mauerwerkbruch, der derzeit aufgrund der heterogenen Zusammensetzung und hoher Feinanteile ein besonders hohes Verwertungsdefizit aufweist. Dabei ist die hydrothermale Erhärtung in einem Autoklav bei 200 °C und 1.6 MPa in gesättigter Wasserdampfatmosphäre eine Alternative mit geringerem Energieverbrauch im Vergleich zur thermischen Herstellung von Leichtgranulaten aus mineralischen Abfällen (Blähgranulate) oder Tonen und Schiefer (kommerzieller Blähton bzw. Blähschiefer), die bei Temperaturen von 1200-1300 °C im Drehrohrofen erfolgt.
Die Festigkeit der Hydrothermalgranulate entwickelt sich bei diesem Prozess durch die Ausbildung von Calciumsilicathydrat-Phasen (CSH), die durch die Reaktion zwischen Quarzpartikeln und hydratisiertem Kalk entstehen. Die so erzeugten Hydrothermalgranulate haben Rohdichten zwischen 1500 kg/m3 und 2000 kg/m3. Damit und auch durch andere Eigenschaften unterscheiden sie sich von den thermisch erhärteten Blähgranulaten bzw. Blähtonen. Ursache dafür ist letztendlich eine sehr unterschiedliche Gefüge- und Porenstruktur. Im vorliegenden Beitrag wird hauptsächlich über die Ergebnisse der Mikrostrukturuntersuchungen an Hydrothermalgranulaten zusammen mit ihren technologischen Eigenschaften, wie Kornfestigkeit, Rohdichte und Wasseraufnahme, berichtet.
Mikrostrukturelle und mineralogische Eigenschaften leichter Gesteinskörnungen aus Mauerwerkbruch
(2015)
Poröse RC-Leichtgranulate mit Rohdichten zwischen 600 kg/m³ und 1400 kg/m³ können nach einem mehrstufigen mechanischen Prozess durch thermische Erhärtung bei 1180 °C aus ziegelhaitigern Mauerwerkbruch hergestellt werden. Diese Granulate erfüllen die Anforderungen an leichte Gesteinskörnungen nach DIN EN 13055 und es lassen sich damit Leichtbetone nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 herstellen. Ihre Festigkeits- und Dauerhaftigkeitseigenschatten sind mit denen herkömmlicher Leichtbetone mit Blähtonkörnungen sehr gut vergleichbar. Das ist das Fazit aus dem in den letzten Jahren durchgeführten Verbundforschungsvorhaben "Aufbaukörnungen". Um jedoch die Granulatentstehung bzw. den Vorgang der Porosierung besser verstehen, den Herstellungsprozess optimieren und die Eigenschaften der Granulate maßschneidern zu können, wurden zusätzlich zu den makroskopischen Charakteristika, wie beispielsweise Porosität und Wasseraufnahme, die chemisch-mineralogischen und mikrostrukturellen Eigenschaften der Leichtgranulate untersucht. Dazu dienten Analysen mittels ICP-Emissionsspektrometrie, Röntgenpulverdiffraktometrie, Quecksilberporosimetrie und mikroskopischen Verfahren. Im Beitrag wird über die Ergebnisse der Gefüge- und Porenstrukturuntersuchungen an Leichtgranulaten im Vergleich zu herkömmlichem Blähton berichtet.
Synthese hydraulischer Phasen in Papierasche und Braunkohlenflugasche durch hydrothermale Behandlung
(2015)
Reststoffe aus industriellen Filter- und Verbrennungsprozessen, die in ihren Hauptbestandteilen aus Si02- und CaO-reichen Mineralphasen bestehen, besitzen das Potential hydraulische Eigenschaften auszubilden. Das bedeutet, dass sie in Anwesenheit von Wasser oder alkalischen Lösungen festigkeitsbildende Phasen entwickeln. Oft bedarf es zunächst einer Aufbereitung um die hydraulischen Mineralphasen zu aktivieren. Hydraulische Phasen sind z.B. die Calciumsilikate Alit (C3S) und Belit (C2S). Sie unterscheiden sich vorrangig durch ihr Ca/Si-Verhältnis. Im Allgemeinen hydratisiert Belit langsamer als Alit und das Hydratationsprodukt weist nach 28 Tagen eine geringere Festigkeit auf. Zur Herstellung von Belit wird weniger Calciumoxid benötigt als zur Herstellung von Alit. Daher muss weniger CaC03 kalziniert werden und der C02-Ausstoß bei der Produktion verringert sich. Zur Synthese von hydraulisch aktivem Belit kann eine hydrothermale Aufbereitung dienen. Verschiedene Autoren nutzten diese Behandlung zur Aktivierung verschiedener Reststoffe, wobei sich CaO-reiche Asche aus der Energieerzeugung (z.B. Braunkohlenflugasche) als sehr geeignet erwies, Papierasche (PA) aus dem Papierrecyling besitzt ebenfalls einen hohen CaO-Gehalt und ist Bestandteil der aktuellen Bindemittelforschung auf Reststoffbasis. Die Untersuchung einer hydrothermalen Aktivierung fehlt bisher. Dieser Artikel soll einen Beitrag zur Klärung der folgenden Fragen leisten: Eignet sich Papierasche zur Belitsynthese durch hydrothermale Behandlung? Wie entwickeln sich die Mineralphasen im Vergleich zur Braunkohlenflugasche?
Stocks of high grade phosphate rock are becoming scarce, and there is growing concern about potentially harmful impurities in conventional phosphorus fertilizers. Sewage sludge ash is a promising secondary phosphorus source. However, to remove heavy metals and convert the phosphorus contained in sewage sludge ash into mineral phases available to plants, an after-treatment is required. Laboratory-scale calcination experiments of sewage sludge ash blended with sodium salts using dried sewage sludge as a reducing agent were carried out at 1000 °C. Thus, the Ca3(PO4)2 or whitlockite component of raw sewage sludge ash, which is not readily plant available, was converted to CaNaPO4 (buchwaldite). Consequently, nearly complete phosphorus solubility in ammonium citrate (a well-established indicator for plant availability) was achieved. Moreover, it was shown that Na2CO3 may be replaced by moderately priced Na2SO4. However, molar ratios of Na/P > 2 were required to achieve >80% phosphorus solubility. Such over-stoichiometric Na consumption is largely caused by side reactions with the SiO2 component of the sewage sludge ash – an explanation for which clear evidence is provided for the first time.
For the first time evidence is provided that a nanocrystalline and stacking-disordered, chemically stabilized β-cristobalite form of AlPO4 occurs in a sewage sludge ash (SSA). This proof is based on a combined X-ray powder diffraction and X-ray fluorescence investigation of an SSA produced at a large-scale fluidized bed incineration facility serving a catching area with a population of 2 million. The structural and chemical characterization was carried out on 'as received' SSA samples as well as on solid residues remaining after leaching this SSA in sodium hydroxide solution. Thus, it was ascertained that the observed nanocrystalline and stacking-disordered cristobalite-like component belongs to the aluminum phosphate component of this SSA, rather than to its silicon dioxide component. In addition, a direct proof is presented that the chemically stabilized β-cristobalite form of AlPO4 does crystallize from X-ray amorphous precursors under conditions that mimic the huge heating rate and short retention time (just seconds at T ≈ 850°C), typical for fluidized bed incinerators.