Beurteilung verschiedener Recyclingmaterialien zur Herstellung alternativer Zusatzstoffe für Zement

Abstract

Angesichts des stetig wachsenden Betonverbrauchs und der Bauindustrie ist die Entwicklung nachhaltigerer Alternativen für die Zementherstellung von zentraler Bedeutung. Die Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Frage, inwieweit alternative Zusatzstoffe für die Betonherstellung den emissionsstarken Zement teilweise ersetzen können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei verschiedene Materialien untersucht, Bettaschen aus zwei Wirbelschicht-Müllverbrennungsanlagen mit der Körnung 0-2 mm und 0-8 mm, Pyrolysekoks aus der Verbrennung von Hackschnitzeln und eine durch Autogenmahlung hergestellte Feinfraktion aus Betonabbruch, welche überwiegend aus Zementstein besteht. Die Materialien wurden mittels Trommelmühle und Siebtechnik mechanisch aufarbeitet. Dabei lag ein besonderes Augenmerk auf der Optimierung des Mahlprozesses und den notwendigen Siebparameter, um einen möglichst hohen Feinkornanteil <0,063 mm zu erreichen. Anschließend wurden die Feinkornanteile mittels Laser-Diffraktion auf die Partikelgrößenverteilung und mittels Röntgenfluoreszenz auf die chemische Zusammensetzung getestet. Mittels der chemischen Zusammensetzungen können die alternativen Zusatzstoffe in einem auf SiO2, CaO und Al2O3 genormten Dreiphasendiagramm bereits genormten AHWZs (ÖNORM 3309) und Klinker zugeordnet werden. Die Bettaschen befinden sich im Referenzbereich von Steinkohleflugasche und Zementstein im Referenzbereich von Klinker. Pyrolysekoks kann aufgrund der niedrigen Ordnungszahl von Kohlenstoff nicht zweifelsfrei chemisch, mittels RFA-Analyse, analysiert und eingeordnet werden. Zur notwendigen Einordnung in Festigkeitsklassen wurden anschließend Probenkörper mit den jeweiligen alternativen Zusatzstoffen hergestellt und gemäß DIN EN 206 nach 28 und 56 Tagen auf Druckfestigkeit geprüft. Alle Probenkörper zeigen eine Festigkeitsentwicklung. Die Probenkörper mit Bettasche (0-2 mm) erreichen nach 28 Tagen eine Druckfestigkeit von 26,8 MPa (C25/30) und nach 56 Tagen 32,3 MPa. Die Probenkörper mit Bettasche (0-8 mm) erreichen nach 28 Tagen eine Druckfestigkeit von 29,4 MPa (C25/30) und nach 56 Tagen 32,8 MPa. Die Probenkörper mit überwiegend autogen abgetragene Zementstein aus Betonabbruch erreichen nach 28 Tagen eine Druckfestigkeit von 25,9 MPa (C25/30) und nach 56 Tagen 30,1 MPa. Die Probenkörper mit Pyrolysekoks erreichen aufgrund einer höheren Partikelgrößenverteilung im Probenkörper nach 28 Tagen eine Druckfestigkeit von 25 MPa und nach 56 Tagen 26,6 MPa.

The rising demand for concrete, driven by the ongoing expansion of the construction industry, highlights the urgent need for more sustainable supplementary cementitious materials in cement production. The thesis deals with the question to what extent supplementary cementitious materials for concrete production can partially replace the emission-intensive cement. In the course of this work, three different materials were investigated: bottom ash from two fluidized bed waste incineration plants with grain sizes of 0-2 mm and 0-8 mm, pyrolysis coke from the combustion of wood chips, and a demolished concrete produced by autogenous grinding, which consists predominantly of recycled concrete paste. The materials were mechanically processed using a drum mill and sieve technique. Particular attention was paid to the optimization of the grinding process and the necessary sieving parameters to achieve the highest possible fine fraction <0,063 mm. Subsequently, the fine fractions were tested for particle size distribution using laser diffraction and for chemical composition using X-ray fluorescence. Using the chemical compositions, the supplementary cementitious materials can be assigned in a ternary diagram normalized to SiO2, CaO and Al2O3 to already standardized AHWZs (ÖNORM 3309) and clinker. The bed ashes are in the reference range of hard coal fly ash and recycled concrete paste in the reference range of clinker. Pyrolysis coke cannot be chemically analyzed and classified by means of XRF analysis due to the low atomic number of carbons. For the necessary classification into strength classes, specimens with the supplementary cementitious materials were then produced and tested for compressive strength according to DIN EN 206 after 28 and 56 days. All specimens show a strength development. The specimens with bottom ash (0-2 mm) reach a compressive strength of 26.8 MPa (C25/30) after 28 days and 32.3 MPa after 56 days. The specimens with bottom ash (0- 8 mm) reach a compressive strength of 29.4 MPa (C25/30) after 28 days and 32.8 MPa after 56 days. The specimens with predominantly autogenously abraded recycled concrete paste from demolished concrete reach a compressive strength of 25.9 MPa (C25/30) after 28 days and 30.1 MPa after 56 days. The specimens with pyrolysis coke reach a compressive strength of 25 MPa after 28 days and 26.6 MPa after 56 days. Due to a high particle size distribution in the sample, pyrolysis coke shows the lowest results in the compressive strength.