Papierasche als Bindemittelkomponente - Potentiale und Grenzen
Creators: name: Barthel, Maria
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Papierasche
Reststoffe
Bindemittel
Zementersatz
hydrothermal

description: Jährlich werden etwa 17 Millionen Tonnen Altpapier in Deutschland verbraucht. Im Recyclingprozess wird das Altpapier sortiert, zerfasert und die Druckfarbe wird entfernt. Neben wiederverwertbaren Papierfasern für die Papierherstellung bleiben Prozessrückstande wie Faserreststoffe, Deinkingschlämme und Sortierrückstände zurück. Sie werden meist in dezentralen Kraftwerken verbrannt und zur Energiegewinnung genutzt. Die dabei anfallende Papierschlammasche oder kurz Papierasche bleibt als Reststoff zurück. In der vorliegenden Arbeit wird erforscht, ob sich dieser Reststoff für die Verwendung als Bindemittelkomponente in Baustoffen eignet. Es wurde der Frage nachgegangen, ob eine Aktivierung der Papierasche möglich ist. Der Zusammenhang zwischen den Bindemitteleigenschaften und den vorhandenen bzw. sich bildenden Mineralphasen wurde untersucht. Um die Frage zu klären, ob Papierasche als Bindemittelkomponente nutzbar ist, wurde die in der Arbeit verwendete Papierasche zunächst charakterisiert. Die Hauptkomponenten sind 22 M.-% SiO2, 13 M.-% Al2O3 und 59 M.-% CaO. Auf Grund der ähnlichen oxidischen Zusammensetzung zu Portlandzement hat diese Papierasche Potential zur Verwertung als Bindemittelkomponente. Kalorimetrische und thermogravimetrische Untersuchungen zeigen, dass Papierasche zur hydraulischen Reaktion beiträgt, wenn 10 M.-% des Portlandzements durch Papierasche als Zementersatzstoff ausgetauscht werden. Der Substitutionsindex ist jedoch kleiner als 100 %. Das liegt daran, dass zwar hydraulisch aktive Mineralphasen wie Belit in der Papierasche enthalten sind, der kristalline Hauptbestandteil jedoch reaktionsträger Calcit ist. Nach langen Lagerungszeiten nimmt der Gehalt an Calcit zudem durch die Carbonatisierung von Freikalk in der Papierasche zu. Um das Potential der Papierasche besser nutzen zu können, wurden daher verschiedene Aktivierungsverfahren untersucht. Die Papierasche wurde mechanisch aktiviert oder hydrothermal mit anschließender Calcinierung. Der Substitutionsindex konnte so gesteigert werden. Im Ergebnis der hydrothermalen Aktivierung mit anschließender Calcinierung enthält das neue Bindemittel signifikante Mengen reaktiver Mineralphasen wie Belit und Mayenit. Die Behandlung von Mischungen aus Papierasche und SiO2-reichen Reststoffen konnte den Gehalt an reaktiven Mineralphasen nicht zusätzlich steigern. Ein Leim aus gemahlener hydrothermal aktivierter und anschließend calcinierter Papierasche mit Wasser erreichte letztlich die höchste Druckfestigkeit. C-S-H-Phasen, carbonathaltige AFm-Phasen und Hydrogranate bilden sich durch die Reaktion der hydrothermal aktivierten Papierasche mit Wasser. Die aktivierte Papierasche könnte demnach als Bindemittelkomponente in Baustoffen eingesetzt werden. Auf Grund der anfallenden Menge von maximal 570 000 Tonnen im Jahr ist die Papierasche gewiss kein Ausgangsmaterial für Massenanwendungen. Aber als Nischenprodukt kann sich die aktivierte Papierasche neben einem materialtechnischen Nutzen durchaus auch positiv auf die Ökobilanz des Baustoffs im Hinblick auf eine Ressourcenschonung und CO2-Einsparung durch eine Reduktion von Portlandzement auswirken.