Valorization of Wastepaper Ash and Waste Ceramic Powder as Supplementary Cementitious Materials in Cement Mortar Production

Stellen Sie sich die Welt des Bauwesens als ein riesiges, hungriges Monster vor, das gewaltige Mengen an Zement verschlingt, um unsere Häuser und Straßen zu bauen. Dieses Monster ist auch ein wenig ein Unruhestifter, der riesige Wolken aus Kohlendioxid ausstößt, die unseren Planeten erwärmen. Währenddessen liegt ein Haufen „Müll“ herum: altes Büropapier und zerbrochene Keramikfliesen. Normalerweise landen diese auf Deponien oder werden verbrannt, was schlecht für die Luft und den Boden ist.

Diese Studie stellt eine einfache, neugierige Frage: Was wäre, wenn wir diesem Müll den Zementmonster füttern könnten, anstatt neuen Zement herzustellen?

Die Forscher nahmen zwei spezifische Arten von Abfall – Abfallpapierasche (WPA) (die Asche, die nach dem Verbrennen von Papier übrig bleibt) und Abfallkeramikpulver (WCP) (zerstoßene Fliesen) – und mischten sie in einem Verhältnis von 2:1. Sie versuchten dann, verschiedene Mengen des Zements in Mörtel (dem Kleber, der Ziegel zusammenhält) durch diese „Müllmischung“, die sie WPACP nannten, zu ersetzen. Sie testeten Ersetzungen von 0 %, 5 %, 10 %, 15 % und 20 %.

Die „Goldlöckchen“-Zone: Die perfekte Mischung finden

Betrachten Sie die Mörtelmischung wie einen Kuchenteig. Wenn man zu viel Mehl hinzufügt, wird er trocken und bröckelig. Wenn man zu wenig hinzufügt, wird er ein matschiges Chaos. Die Forscher fanden heraus, dass diese WPACP-„Müllmischung“ einen ganz spezifischen optimalen Punkt hatte.

• Der Verarbeitbarkeits-Knick: Sobald sie die Müllmischung hinzufügten, wurde der Mörtel „durstiger“. Er benötigte mehr Wasser, um geschmeidig und verarbeitbar zu bleiben. Je mehr Müll sie hinzufügten, desto schwieriger wurde die Arbeit damit. Als sie bei 20 % ankamen, wurde der Mörtel steif und träge.
• Der Stärke-Schub: Hier wird es spannend. Als sie 15 % des Zements durch die WPACP-Mischung ersetzten, war der Mörtel nicht nur belastbar, sondern er wurde sogar stärker.
  • Nach 28 Tagen der Aushärtung (Lassen des Härtungsprozesses) war die 15 %-Mischung bei der Druckfestigkeit um 25,3 % stärker als die reguläre Zementmischung.
  • Nach 56 Tagen war sie immer noch 16,1 % stärker.
  • Wenn sie jedoch zu weit gingen und 20 % verwendeten, sank die Festigkeit wieder ab. Das Papier schließt explizit die Vorstellung aus, dass „mehr Müll immer besser ist“. Die 20 %-Mischung schnitt tatsächlich schlechter ab als die Kontrollgruppe, was beweist, dass es eine Grenze gibt, wie viel Abfall man austauschen kann, bevor die Struktur schwächer wird.

Der unsichtbare Schutzschild: Dauerhaftigkeit und Dichte

Warum gewann die 15 %-Mischung? Stellen Sie sich den Mörtel wie einen Schwamm vor. Ein normaler Schwamm hat große Löcher, durch die Wasser eindringen und Schaden anrichten kann. Die WPACP-Partikel sind super klein und kantig. Wenn sie auf dem 15 %-Niveau hinzugefügt werden, wirken sie wie ein mikroskopisches Puzzle, das alle winzigen Lücken und Löcher zwischen den größeren Sandkörnern ausfüllt.

• Der „Füllstoff“-Effekt: Dies schuf eine viel dichtere, kompaktere Struktur. Die 15 %-Mischung hatte die geringste Wasseraufnahme und die geringste Porosität (weniger Löcher).
• Der Schalltest: Sie verwendeten Schallwellen (Ultraschall-Impulsgeschwindigkeit), um das Innere des Mörtels zu prüfen. Schall wandert schneller durch dichte, feste Dinge und langsamer durch schwammige, löcherreiche Dinge. Die 15 %-Mischung ließ den Schall schneller reisen, was bestätigte, dass sie dicht gepackt war. Bis zum 56. Tag wurde diese Mischung als „gute“ Qualität eingestuft und übertraf den regulären Zement.
• Der Sulfat-Schild: Sie tauchten die Proben sogar in eine salzhaltige Sulfatlösung (wie hartes Meerwasser) ein, um zu sehen, ob sie zerbröseln würden. Die 15 %-Mischung verlor am wenigsten an Festigkeit, was bewies, dass sie am besten gegen chemische Angriffe resistent ist.

Die mikroskopische Detektivarbeit

Um absolut sicher zu sein, was im Inneren geschah, verwendeten die Forscher hochtechnologische „Mikroskope“, die Hitze und Licht analysieren:

1. Thermische Analyse (TGA/DTA): Sie erhitzten die Proben auf 900 °C, um zu sehen, was verdampft. Sie fanden heraus, dass die 15 %-Mischung den geringsten Gewichtsverlust aufwies. Das bedeutet, dass sie die stabilste Struktur und am wenigsten „freies“ Wasser oder Schwachstellen besitzt. Es zeigte auch, dass die Abfallasche und das Pulver mit dem Zement reagierten, um zusätzlichen „Kleber“ (C-S-H-Gel) zu erzeugen und die schwächeren Teile (Calciumhydroxid) aufzuzehren.
2. Infrarotspektroskopie (FT-IR): Dies ist wie das Erstellen eines Fingerabdrucks von Chemikalien. Die Scans zeigten, dass die 15 %-Mischung ein viel stärkeres Signal für den „Superkleber“ (C-S-H-Gel) und ein schwächeres Signal für die schwächeren Bestandteile (Calciumhydroxid) aufwies. Dies bestätigte, dass die Abfallstoffe aktiv halfen, eine stärkere Matrix aufzubauen, anstatt nur als Füllstoff dazusitzen.

Das Urteil

Das Paper kommt zu dem Schluss, dass man nicht unbegrenzt Abfall in Zement schütten kann. 20 % sind zu viel, und 0 % lassen die Vorteile ungenutzt. Aber 15 %? Das ist die magische Zahl.

Indem man 15 % des Zements durch eine 2:1-Mischung aus Abfallpapierasche und Abfallkeramikpulver ersetzt, erhält man einen Mörtel, der:

• Stärker ist (bis zu 25,3 % mehr Druckfestigkeit nach 28 Tagen).
• Dichter ist (geringere Wasseraufnahme und Porosität).
• Dauerhafter ist (bessere Beständigkeit gegen Sulfatangriffe).
• Grüner ist (weniger Zement benötigt, weniger Abfall auf Deponien).

Die Studie legt nahe, dass dies eine praktikable, realitätsnahe Option ist, um Baumaterialien herzustellen, die sowohl umweltfreundlicher als auch belastbarer im Einsatz sind. Die Autoren merken jedoch an, dass die Laborergebnisse zwar vielversprechend sind, aber weitere Forschung notwendig ist, um dies für die großflächige Anwendung zu optimieren. Sie haben noch nicht erklärt, dass dies ein gelöstes Problem für die ganze Welt ist, aber sie haben definitiv ein sehr starkes Rezept für die Zukunft gefunden.