Thermal activation of flexographic wastewater sludge and its influence on Portland cement hydration

In der Welt des Bauwesens ist Beton der am weitesten verbreitete Werkstoff der Erde, eine Mischung aus Wasser, Sand, Stein und einem speziellen Pulver namens Portlandzement, das als Kleber fungiert. Um dieses Material nachhaltiger und kostengünstiger zu gestalten, suchen Ingenieure oft nach Wegen, einen Teil dieses Zementpulvers durch Industrieabfälle zu ersetzen. Die Hoffnung ist, dass bestimmte Abfälle, sobald sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden, in eine reaktive Substanz verwandelt werden können, die sich chemisch mit dem Zement verbindet und so das Endprodukt stärkt, während gleichzeitig Abfall aus Deponien ferngehalten wird. Dieser Prozess beruht auf einem Konzept namens puzzolanischer Reaktivität, bei dem ein Material, das reich an Siliziumdioxid und Aluminium ist, nach dem Erhitzen bestrebt ist, mit dem Calciumhydroxid zu reagieren, das während des Erstarrens des Zements entsteht. Wenn dies erfolgreich ist, verwandelt sich ein Entsorgungsproblem in eine bautechnische Lösung. Nicht alle Abfälle sind jedoch gleich geschaffen, und die komplexe chemische Zusammensetzung einiger industrieller Nebenprodukte kann sich auf unerwartete Weise verhalten, wenn sie mit Zement gemischt werden, wobei sie manchmal genau jene Reaktionen stören können, die Ingenieure eigentlich fördern wollen.

Forscher in Argentinien begaben sich auf die Untersuchung einer spezifischen Art von Industrieabfall: dem Schlamm, der nach der Reinigung des Abwassers aus flexografischen Druckmaschinen anfällt. Dieser Schlamm ist eine dicke, klebrige Mischung aus wasserbasierten Tinten, Klebstoffen und den Chemikalien, die zur Abtrennung der Feststoffe vom Wasser verwendet werden. Er enthält eine hohe Menge an organischer Substanz und eine Mischung aus Mineralien, einschließlich Ton. Das Team fragte sich, ob sie diesen Schlamm trocknen und in einem Ofen erhitzen könnten, um die organischen Rückstände zu verbrennen und den Ton in einen nützlichen Zementzusatz zu verwandeln. Sie testeten das Material bei unterschiedlichen Temperaturen, indem sie Proben speziell auf 550 Grad Celsius und 700 Grad Celsius erhitzten, um zu sehen, ob die Hitze die benötigte reaktive, glasartige Struktur erzeugen würde, die sich mit dem Zement verbindet.

Der Erhitzungsprozess funktionierte genau so, wie die Forscher in Bezug auf die Reinigung und die Veränderung der Struktur gehofft hatten. Als der Schlamm erhitzt wurde, brannten die organischen Materialien weg, und die Tonminerale verloren ihre Wassermoleküle und kollabierten in einen ungeordneten, amorphen Zustand. Dieser neue Zustand, der einem Material namens Metakaolin ähnelt, ist normalerweise der Schlüssel dazu, ein Abfallprodukt für den Beton nutzbar zu machen. Das Team bestätigte diese Veränderung, indem es das Material unter leistungsstarken Mikroskopen untersuchte und eine lichtbasierte Analyse durchführte, um zu sehen, wie sich seine chemischen Bindungen verschoben hatten. Sie fanden heraus, dass sich das Material tatsächlich von einem nassen, organischen Schlamm in ein trockenes, reaktives Pulver mit einer Struktur verwandelt hatte, die in der Lage war, mit Zement zu interagieren.

Als die Forscher dieses erhitzte Pulver jedoch mit Portlandzement und Wasser mischten, um dessen tatsächliche Leistung zu testen, waren die Ergebnisse überraschend und kompliziert. Sie hatten erwartet, dass das Material wie ein traditioneller Puzzolan agieren würde, der das während des Erstarrens des Zements entstehende Calciumhydroxid chemisch „auffrisst“ und hilft, den Beton schneller oder stärker werden zu lassen. Stattdessen zeigten die Tests, dass das Material sich nicht wie ein echter Puzzolan verhielt. Obwohl das Pulver die richtige interne Struktur besaß, um zu reagieren, bestand es die Standard-Chemietests, die den Nachweis der puzzolanischen Aktivität erbringen sollten, nicht. Der Grund war nicht, dass das Material inert oder nutzlos war, sondern vielmehr, dass es auf eine andere Weise zu aktiv war. Der erhitzte Schlamm setzte seine eigenen Calcium- und Hydroxidionen in die Wassermischung frei und überflutete die Lösung mit genau den Chemikalien, die er eigentlich verbrauchen sollte. Dieser Zustrom an zusätzlichen Chemikalien maskierte jede kleine Reaktion, die stattgefunden haben könnte, was es unmöglich machte, dass das Material die Standardtests für einen reaktiven Zementzusatz bestand.

Trotz des Scheiterns bei den chemischen Tests auf Puzzolanität war das Material nicht bloß ein passiver Füllstoff. Als die Forscher untersuchten, wie der Zement im Laufe der Zeit aushärtete, indem sie sensitive hitzemessende Werkzeuge verwendeten, stellten sie fest, dass der Schlamm die Geschwindigkeit und Intensität der Reaktion tatsächlich veränderte. Bei einem spezifischen Mischungsverhältnis von zehn Prozent Ersatz bewirkte das Material tatsächlich, dass der Zement in den frühen Stadien der Erhärtung mehr Wärme freisetzte, was darauf hindeutete, dass es die Reaktion in gewisser Weise unterstützte. Diese Zunahme der Aktivität war wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die physikalische Präsenz der Pulverpartikel als Oberflächen diente, an denen der Zement beginnen konnte zu wachsen, anstatt auf einer tiefen chemischen Bindung zu beruhen. Der fertige, ausgehärtete Zement sah unter dem Mikroskop sehr ähnlich aus wie regulärer Zement, mit denselben Hauptbausteinen, aber der Weg dorthin war etwas anders.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das Erhitzen von flexografischem Druckschlamm zwar dessen Struktur reinigt und verändert, ihn jedoch nicht in einen Standard-Reaktionsbestandteil für Zement verwandelt. Das Material ist nicht nutzlos, da es eindeutig das Verhalten des Zements verändert, aber seine Wechselwirkung wird eher durch die physikalische Präsenz der Partikel und die von ihnen freigesetzten Ionen in das Wasser gesteuert als durch die chemische Reaktion, nach der Ingenieure üblicherweise suchen. Diese Erkenntnis ist wichtig, da sie zeigt, dass nicht alle Industrieabfälle nach denselben Regeln beurteilt werden können. Ein Material kann auf dem Papier perfekt aussehen und unter Hitze eine wunderbare Transformation durchlaufen, dennoch als echter chemischer Partner für Zement versagen, weil es über seine eigene einzigartige chemische Zusammensetzung verfügt. Die Forscher schlagen vor, dass wir für komplexe Hybridabfälle über einfache Tests hinausblicken und das Gesamtbild ihrer Interaktion mit Zement verstehen müssen, wobei wir anerkennen müssen, dass ihr Wert eher darin liegen kann, den Prozess zu modifizieren, als als traditioneller reaktiver Bestandteil zu fungieren.