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Organisationseinheit der BAM
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- 7.1 Baustoffe (1)
Eingeladener Vortrag
- nein (23)
Sortierrückstände, Faserreststoffe und Schlämme aus der Altpapieraufbereitung und dem Deinking werden gegenwärtig entweder deponiert oder einer energetischen Verwertung zugeführt. Es gibt Bemühungen, die Reststoffe kontrolliert bei Temperaturen zwischen 700 °C und 800 °C zu calcinieren, um dadurch direkt einen metakaolinhaltigen puzzolanisch wirkenden Zementbestandteil oder Betonzusatzstoff herzustellen. Üblicherweise erfolgt die Verbrennung der Papierreststoffe aber beim Papierrecycler bzw. –hersteller in dezentralen Heizkraftwerken, in denen mittels Kraft-Wärme-Kopplung Strom, Wärme und Dampf erzeugt werden. Der auf die Strom- und Wärmeerzeugung optimierte Prozess verläuft bei Temperaturen von 950°C bis 1000 °C. Dabei bilden sich aus dem amorphen Metakaolin bereits wieder inerte Verbindungen. Pro Tonne verbranntem Papierreststoff fallen etwa 240 kg Papierasche (PA) in Form einer Mischung aus Kessel- und Elektrofilteraschen an. Die Papierasche wird etwa zu 16 % in der Ziegelherstellung und zu 52 % in der Rohmehlproduktion der Zementindustrie kostenpflichtig entsorgt. Mit 26 % werden große Anteile der Papierasche deponiert. Mit den Zielen der Anhebung der Verwertungsquote der Papierasche, der Reduzierung der Entsorgungskosten und einer qualitativ höherwertigen Verwendung der Asche unter Ausnutzung ihrer spezifischen Eigenschaften, stehen Papieraschen im Mittelpunkt verschiedener Forschungsarbeiten.
Die in den Untersuchungen verwendete Papierasche liegt als feinkörniges Material in einem breiten Kornband mit Partikelgrößen zwischen 0,5 µm und 100 µm vor. In Abhängigkeit von der Materialcharge beträgt die Feststoffdichte der Asche 2,63-2,67 g/cm³ und ihre spezifische Oberfläche liegt bei 2,6-5,0 m²/g. Die Papierasche kommt mit den Anteilen der Hauptoxide von 49-59 M.-% CaO, 22-28 M.-% SiO2 und 13-14 M.-% Al2O3 der Zusammensetzung eines Portlandzements nahe, sie ist jedoch etwas kalkärmer und tonerdereicher. In Abhängigkeit von der Herstellungs- und Lagerungshistorie enthält sie zwischen 3 M.-% und 15 M.-% Freikalk (CaO). Mittels Röntgenbeugungsanalyse werden Calcit (CaCO3), Gehlenit (Ca2Al(AlSi)O7), Portlandit (Ca(OH)2) und Belit (Ca2SiO4), Quarz (SiO2) und Talk Mg3Si4O10(OH)2 als Hauptmineralphasen der Papierasche identifiziert. In einigen PA-Chargen werden zusätzlich Freikalk (CaO), Tricalciumaluminat (Ca3Al2O6) und geringe amorphe Anteile gefunden. Aufgrund dieser Eigenschaften werden von der Papierasche auch hydraulische Eigenschaften erwartet, die eine Verwendung als Bindemittel allein oder Bindemittelkomponente im Gemisch mit Portlandzement oder anderen Zusatzstoffen nahe legen.
Erste Untersuchungen an der Papierasche dienten der mineralogischen, chemischen, umweltanalytischen und betontechnologischen Charakterisierung der Papierasche, von Zement-PA- und Flugasche-PA-Gemischen. Anschließende Studien befassten sich mit dem Einsatz von Papierasche als Zementzumahlstoff, Zusatz in erdfeuchten Betonen und als Bodenverfestigungsmittel.
Im Vortrag werden die wesentlichen Ergebnisse der Forschungsarbeiten vorgestellt und die Einsatzmöglichkeiten der Papierasche als Baustoff im Hinblick auf ihre technologische und nachhaltigkeitsbezogene Eignung bewertet.
Sortierrückstände, Faserreststoffe und Schlämme aus der Altpapieraufbereitung und dem Deinking werden gegenwärtig entweder deponiert oder einer energetischen Verwertung zugeführt. Es gibt Bemühungen, die Reststoffe kontrolliert bei Temperaturen zwischen 700 °C und 800 °C zu calcinieren, um dadurch direkt einen metakaolinhaltigen puzzolanisch wirkenden Zementbestandteil oder Beton-zusatzstoff herzustellen. Üblicherweise erfolgt die Verbrennung der Papier-reststoffe aber beim Papierrecycler bzw. –hersteller in dezentralen Heizkraftwerken, in denen mittels Kraft-Wärme-Kopplung Strom, Wärme und Dampf erzeugt werden. Der auf die Strom- und Wärmeerzeugung optimierte Prozess verläuft bei Temperaturen von 950°C bis 1000 °C. Dabei bilden sich aus dem amorphen Metakaolin bereits wieder inerte Verbindungen. Pro Tonne verbranntem Papierrest-stoff fallen etwa 240 kg Papierasche (PA) in Form einer Mischung aus Kessel- und Elektrofilteraschen an. Die Papierasche wird etwa zu 16 % in der Ziegel-herstellung und zu 52 % in der Rohmehlproduktion der Zementindustrie kostenpflichtig entsorgt. Mit 26 % werden große Anteile der Papierasche deponiert. Mit den Zielen der Anhebung der Verwertungsquote der Papierasche, der Re-duzierung der Entsorgungskosten und einer qualitativ höherwertigen Verwendung der Asche unter Ausnutzung ihrer spezifischen Eigenschaften, stehen Papieraschen im Mittelpunkt verschiedener Forschungsarbeiten.
Die in den Untersuchungen verwendete Papierasche liegt als feinkörniges Material in einem breiten Kornband mit Partikelgrößen zwischen 0,5 µm und 100 µm vor. In Abhängigkeit von der Materialcharge beträgt die Feststoffdichte der Asche 2,63-2,67 g/cm³ und ihre spezifische Oberfläche liegt bei 2,6-5,0 m²/g. Die Papierasche kommt mit den Anteilen der Hauptoxide von 49-59 M.-% CaO, 22-28 M.-% SiO2 und 13-14 M.-% Al2O3 der Zusammensetzung eines Portlandzements nahe, sie ist jedoch etwas kalkärmer und tonerdereicher. In Abhängigkeit von der Herstellungs- und Lagerungshistorie enthält sie zwischen 3 M.-% und 15 M.-% Freikalk (CaO). Mittels Röntgenbeugungsanalyse werden Calcit (CaCO3), Gehlenit (Ca2Al(AlSi)O7), Portlandit (Ca(OH)2) und Belit (Ca2SiO4), Quarz (SiO2) und Talk Mg3Si4O10(OH)2 als Hauptmineralphasen der Papierasche identifiziert. In einigen PA-Chargen werden zusätzlich Freikalk (CaO), Tricalciumaluminat (Ca3Al2O6) und geringe amorphe Anteile gefunden. Aufgrund dieser Eigenschaften werden von der Papierasche auch hydraulische Eigenschaften erwartet, die eine Verwendung als Bindemittel allein oder Bindemittelkomponente im Gemisch mit Portlandzement oder anderen Zusatzstoffen nahe legen.
Erste Untersuchungen an der Papierasche dienten der mineralogischen, chemischen, umweltanalytischen und betontechnologischen Charakterisierung der Papierasche, von Zement-PA- und Flugasche-PA-Gemischen sowie der PA als Bodenverfestigungsmittel. Eine umfangreiche Studie befasste sich mit dem Einsatz von Papierasche als Bindemittel. Untersucht wurde die Mineralphasen- und Festigkeitsentwicklung nach einer Aktivierung mit Wasser oder 2 mol/l NaOH- bzw. KOH-Lösungen.
In einer Arbeit zur Herstellung eines zementfreien reststoffbasierten Bindemittels wurde unter anderem die CaO-reiche Papierasche als Ausgangsmaterial ausgewählt. Durch eine hydrothermale Behandlung von PA-Wasser-Gemischen mit anschließender Calcinierung wird die Asche hydraulischen aktiviert. Dabei bildet sich als Zwischenprodukt Calciumsilcathydrat (CSH), das durch die nachfolgende Calcinierung zu hydraulisch aktivem Belit dehydratisiert.
In einem anderen Anwendungspfad dient die Papierasche als alleiniger Ausgangsstoff oder als Kalklieferant im Gemisch Papierasche/Mauerwerkbruch zur Herstellung leichter Granulate mit Rohdichten von 1,5-2,0 g/cm³. Dabei erfolgt nach einer Granulierung des Ausgangsmehls eine Erhärtung in einem Autoklav bei 200 °C und 1,6 MPa in gesättigter Wasserdampfatmosphäre. Während des hydrothermalen Prozesses bilden sich CSH-Phasen, die die beim Granulieren vorgeprägte Mikrostruktur der Granulate weiter beeinflussen. Neben der Verwendung als leichte Gesteinskörnung wird auch eine Anwendung als Speicher-medium, Filtermaterial oder Adsorptions- bzw. Puffermittel getestet.
Im Vortrag werden die wesentlichen Ergebnisse der Forschungsarbeiten vorgestellt und die Einsatzmöglichkeiten der Papierasche als Baustoff im Hinblick auf ihre technologische und nachhaltigkeitsbezogene Eignung bewertet.
Leichte Gesteinskörnungen sind Gemenge von mehr oder weniger porösen Körnern mineralischen Ursprungs mit Kornrohdichten < 2000 kg/m³ oder Schüttdichten < 1200 kg/m³. Ihre industrielle Herstellung erfolgt oft in einem thermischen Prozess bei Temperaturen von 1000 bis 1300 °C aus natürlichen Ausgangstoffen, wie Ton, Schiefer und anderen tonigen oder vulkanischen Gesteinen. Blähton, Blähschiefer, Vermiculit und Blähperlit sind heutzutage weit verbreitete leichte Gesteinskörnungen. Aber auch aus mineralischen Reststoffen, wie beispielsweise Glas oder Mauerwerkbruch, können durch thermisches Porosieren leichte Körnungen, wie Blähglas und RC-Granulate, erzeugt werden. Dabei müssen die jeweils eingesetzten Ausgangsstoffe bei der Prozesstemperatur einen pyro¬plastischen Zustand mit Ausbildung von Sinter- und Schmelzphasen mit geeigneter Viskosität erreichen und gleichzeitig Gas freisetzen, das zum Aufblähen und Porosieren führt. Die geblähten leichten Körnungen bilden dadurch eine heterogene, makroporöse Porenstruktur aus. Das Feststoffgerüst ist meist durch großvolumige lange Poren durchbrochen und die Gerüstwände sind von vielen kleinen Poren durchsetzt. Teilweise liegen in den geblähten Bereichen geschmolzene Oberflächenareale vor. Dabei werden die tatsächlichen mikrostrukturellen und morphologischen Eigenschaften der verschiedenen leichten Gesteinskörnungen wesentlich von der großen Varietät der Ausgangsstoffe und den Bedingungen des Herstellungsprozesses beeinflusst.
Auf den vorherigen Workshops wurde bereits über Herstellung, Eigenschaften und Mikrostruktur von aus Mauerwerkbruch hergestellten RC-Granulaten berichtet. Dieser Beitrag stellt die Resultate der fortlaufenden Gefüge- und Porenstrukturuntersuchungen vor und vergleicht die Eigenschaften von RC-Granulaten und verschiedenen herkömmlichen Blähtonen. Messergebnisse aus Analysen mittels ICP-Emissionsspektrometrie, Röntgenpulverdiffraktometrie, Quecksilberporosimetrie und Licht- und Elektronenmikroskopie werden diskutiert.
Leichte Gesteinskörnungen sind Gemenge von mehr oder weniger porösen Körnern mineralischen Ursprungs mit Kornrohdichten < 2000 kg/m³ oder Schüttdichten < 1200 kg/m³. Ihre industrielle Herstellung erfolgt oft in einem thermischen Prozess bei Temperaturen von 1000 bis 1300 °C aus natürlichen Ausgangstoffen, wie Ton, Schiefer und anderen tonigen oder vulkanischen Gesteinen. Blähton, Blähschiefer, Vermiculit und Blähperlit sind heutzutage weit verbreitete leichte Gesteinskörnungen. Aber auch aus mineralischen Reststoffen, wie beispielsweise Glas oder Mauerwerkbruch, können durch thermisches Porosieren leichte Körnungen, wie Blähglas und RC-Granulate, erzeugt werden. Dabei müssen die jeweils eingesetzten Ausgangsstoffe bei der Prozesstemperatur einen pyro¬plastischen Zustand mit Ausbildung von Sinter- und Schmelzphasen mit geeigneter Viskosität erreichen und gleichzeitig Gas freisetzen, das zum Aufblähen und Porosieren führt. Die geblähten leichten Körnungen bilden dadurch eine heterogene, makroporöse Porenstruktur aus. Das Feststoffgerüst ist meist durch großvolumige lange Poren durchbrochen und die Gerüstwände sind von vielen kleinen Poren durchsetzt. Teilweise liegen in den geblähten Bereichen geschmolzene Oberflächenareale vor. Dabei werden die tatsächlichen mikrostrukturellen und morphologischen Eigenschaften der verschiedenen leichten Gesteinskörnungen wesentlich von der großen Varietät der Ausgangsstoffe und den Bedingungen des Herstellungsprozesses beeinflusst.
Auf den vorherigen Workshops wurde bereits über Herstellung, Eigenschaften und Mikrostruktur von aus Mauerwerkbruch hergestellten RC-Granulaten berichtet. Dieser Beitrag stellt die Resultate der fortlaufenden Gefüge- und Porenstrukturuntersuchungen vor und vergleicht die Eigenschaften von RC-Granulaten und verschiedenen herkömmlichen Blähtonen. Messergebnisse aus Analysen mittels ICP-Emissions¬spektrometrie, Röntgenpulverdiffraktometrie, Quecksilberporosimetrie und Licht- und Elektronenmikroskopie werden diskutiert.
Leichte Gesteinskörnungen aus Mauerwerkbruch - Mikrostrukturelle und mineralogische Eigenschaften
(2015)
Bei mineralischen Bauabfällen und industriellen Reststoffen sind mit zu Heterogenität und Feinheit der Materialien auch die größten Verwertungsdefizite zu verzeichnen. Mangels geeigneter Trenn- und Sortierverfahren stellt eine stoffliche Verwertung im Prozess "Aufbaukörnungen" insbesondere für die feinen Fraktionen Alternative dar.
Die Eignung von Mauerwerkbruch mit unterschiedlichen Zusammensetzungen für die Herstellung von Aufbaukörnungen wurde nachgewiesen. Testreihen im Labor und unter Praxisbedingungen in einem Betonwerk zeigen, dass die Eigenschaften von Leichtbetonen mit Aufbaukörnungen als leichte Gesteinskörnung mit denen herkömmlicher Leichtbetone hervorragend vergleichbar sind.
Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojekts werden die Eignungsuntersuchungen von thermisch porosierten Leichtgranulaten für den Einsatz in Leichtbetonen -mörteln vertieft. Unter Einsatz der Leichtgranulate sollen Sonderbetone zur Herstellung von Leichtbetonelementen konzipiert werden. In Restauriermörteln und Steinersatzmassen für die Denkmalpflege sollen hingegen insbesondere die fein Leichtgranulate mit Korngrößen < 2 mm eingesetzt. werden.
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.
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?
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.