Papierasche als Bindemittelkomponente - Potentiale und Grenzen

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. ... mehrEs 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.

In Germany, 17 million tons of waste paper were recycled. For this process, the wastepaper is sorted, shredded, washed and the ink is removed. The residue of this treatment is paper sludge which is burned. What remains, is called paper sludge ash, wastepaper ash or paper ash. Most of the paper ash is landfilled. The present research investigates whether this residue is suitable for use in building materials, particularly as a binder component in concrete.
To explore the question of whether paper ash can be used as a binder component, the paper ash used in the work was first characterized. ... mehrThe main components are 22 m.-% SiO2, 13 m.-% Al2O3 and 59 m.-% CaO. Calorimetric and thermogravimetric studies show that paper ash contributes to the hydraulic reaction when 10 m.-% of the cement is replaced by paper ash as an additive. However, the activity index is less than 100 %. This decrease occurs since although hydraulically active phases such as belite are contained in the paper ash, the main crystalline component is unreactive calcite. Furthermore, the amount of calcite rises with storage time, due to the carbonation of lime in paper ash.
To utilize the potential of paper ash, various activation methods have been investigated. Finely grounded limestone (calcite) can have a positive effect on the strength of the concrete which is why the paper ash was first activated mechanically. Alternatively, the paper ash was also activated by calcination after a hydrothermal pretreatment, with the result that significant amounts of reactive mineral phases such as belite and mayenite are present in the new binder after activation. The activity index was increased by using activated paper ash. The activation of a mixture of paper ash and SiO2-rich residues did not lead to the desired increase in the content of reactive mineral phases, but nevertheless provided a basis to investigate the relationship between mineral phases and binder properties in more detail. In the end, the highest compressive strength of paste cubes could be achieved with a grounded and hydrothermally activated paper ash. C-S-H phases, carbonate-containing AFm phases and hydrogarnets have formed through the reaction of the activated paper ash with water. Paper ash could therefore be used as a binder component. Due to the volume of maximum 580.000 tons per year, paper ash is certainly not a starting material for mass applications, but as a niche product it can make a positive contribution to the ecological balance of building materials in terms of resource conservation and CO2 savings by reducing the need for cement.