Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models

Betonböden in Fabriken, Lagern und belebten öffentlichen Räumen führen einen ständigen Kampf gegen den Verschleiß. Jeder Schritt, jeder rollende Wagen und jeder Reifen eines Fahrzeugs schleift an der Oberfläche und trägt das Material langsam ab, wodurch die Struktur im Laufe der Zeit geschwächt wird. Um Böden zu bauen, die lange halten, verlassen sich Ingenieure auf Zement, das Bindemittel, das den Beton zusammenhält. Die Herstellung dieses Zements ist jedoch mit einem hohen Preis verbunden: Für jede Tonne Zement, die hergestellt wird, gelangen fast 0,85 Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre, was erheblich zum Klimawandel beiträgt. Diese Realität hat Forscher dazu veranlasst, nach Wegen zu suchen, einen Teil des Zements durch Industrieabfälle zu ersetzen und so ein Verschmutzungsproblem in eine Baulösung zu verwandeln. Eines solcher Abfallprodukte stammt aus Ölraffinerien, wo winzige Partikel, sogenannte Katalysatoren, verwendet werden, um Rohöl in Kraftstoff umzuwandeln. Sob nachdem diese Partikel ihre Aufgabe erfüllt haben, werden sie als „verbrauchte Katalysatoren“ entsorgt. Diese Partikel sind reich an Aluminium und Silizium, denselben Bestandteilen, die auch in den Gesteinen und Sanden vorkommen, aus denen Beton besteht, was darauf hindeutet, dass sie in einem neuen Leben nützlich sein könnten.

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel zu testen, ob diese entsorgten Partikel aus Ölraffinerien in Beton gemischt werden könnten, um stärkere, langlebigere Böden zu schaffen, die gleichzeitig der Umwelt helfen. Sie konzentrierten sich auf zwei verschiedene Arten von Betonmischungen. Die erste war eine Standard-Zementmischung, bei der die Abfallpartikel als Füllstoff dienen sollten, um einen Teil des Zements zu ersetzen. Die zweite war eine „alkalisch aktivierte“ Mischung, eine fortschrittlichere Art von Beton, die eine chemische Lösung verwendet, um die Abfallpartikel ganz ohne traditionellen Zement miteinander zu verbinden. Die Forscher wollten sehen, wie die Größe der Abfallpartikel und die Art der Mischung die Fähigkeit des Betons beeinflussen, Druck, Biegung und dem ständigen Schleifen durch Abrasion zu widerstehen. Sie wollten zudem einen Satz von Regeln erstellen, die Ingenieure nutzen können, um vorherzusagen, wie stark ein Boden sein wird, noch bevor sie den Beton überhaupt gießen, basierend lediglich darauf, wie viel Abfall hinzugefügt wurde und wie fein die Partikel waren.

Das Team begann mit der Sammlung ihrer Materialien: Standard-Portlandzement, Flusssand, Wasser und die verbrauchten Katalysatorpartikel aus einer Raffinerie in Polen. Sie sortierten die Katalysatorpartikel sorgfältig in zwei Größen – eine feinere und eine gröbere –, um zu sehen, ob die Größe eine Rolle spielt. Dann erstellten sie eine Reihe von Testchargen. In einigen Chargen wurden bis zu 20 Prozent des Zements durch die Abfallpartikel ersetzt, während andere die Partikel als Hauptbestandteil in der alkalisch aktivierten Mischung verwendeten. Um sicherzustellen, dass die Mischungen verarbeitbar waren, fügten sie einen flüssigen Fließmittelzusatz hinzu, der dem feuchten Beton half, leicht in die Formen zu fließen. Nachdem der Beton ausgehärtet war, unterzogen die Forscher die Proben einer strengen Testreihe. Sie zerquetschten Würfel des Materials, um die Druckfestigkeit zu messen, bogen lange Balken, um die Biegefestigkeit zu testen, und verwendeten eine spezialisierte Maschine, die ein schweres, abrasives Rad über die Oberfläche rieb, um zu messen, wie viel Gewicht das Material im Laufe der Zeit verliert. Dieser Abrasionstest ist entscheidend, da er den jahrelangen Fußgängerverkehr und den Verschleiß durch Fahrzeuge in nur wenigen Stunden simuliert.

Die Ergebnisse zeigten eine klare Kluft in der Leistung, abhängig davon, welche Art von Beton verwendet wurde. In den Standard-Zementmischungen funktionierte das Hinzufügen der Abfallpartikel bemerkenswert gut. Als die Forscher 20 Prozent des Zements durch den verbrauchten Katalysator ersetzten, wurde der resultierende Beton stärker und widerstandsfähiger gegen Verschleiß. Die Mischung mit den feinsten Partikeln erreichte eine Druckfestigkeit von 52 Megapascal und eine Biegefestigkeit von 8 Megapascal, während sie gleichzeitig eine um 18 Prozent verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Abrasion im Vergleich zu reinem Zement aufwies. Die Abfallpartikel wirkten wie ein Schwamm, absorbierten Wasser und reagierten mit dem Zement, um winzige Lücken zu füllen, was ein dichteres und zäheres Material schuf. Die Geschichte war jedoch bei den alkalisch aktivierten Mischungen anders. In diesen Mischungen reagierten die Abfallpartikel nicht vollständig mit dem chemischen Binder. Das resultierende Material war deutlich schwächer und wies einen viel höheren Verschleiß auf, wobei es nach 28 Tagen eine neunmal höhere Gewichtsabnahme als die Zementmischungen erlitt. Die Forscher fanden heraus, dass der chemische Aktivierungsprozess unvollständig war, was dazu führte, dass viele der Abfallpartikel unreagiert und locker in der Struktur gehalten wurden, was die Oberfläche unter Reibung leicht bröckeln ließ.

Um diese komplexen Ergebnisse zu interpretieren, entwickelten die Forscher eine Reihe mathematischer Modelle, die die Leistung des Betons vorhersagen können, ohne dass jedes einzelne Testverfahren durchgeführt werden muss. Diese Modelle waren keine bloßen Vermutungen; sie basierten auf physikalischen Prinzipien, die die Menge des hinzugefügten Abfalls, die Größe der Partikel, die Art des verwendeten Binders und das Alter des Betons mit seiner endgültigen Festigkeit und Haltbarkeit verknüpften. Die Modelle erwiesen sich als hochgradig genau und sagten die Druckfestigkeit, die Biegefestigkeit und den Abrasionverlust mit einer Fehlermarge von weniger als 7 Prozent voraus. Das bedeutet, dass ein Ingenieur, wenn er die spezifische Mischung kennt, die er plant, diese Formeln verwenden kann, um mit Zuversicht vorherzusagen, wie sich der Boden unter schwerem Verkehr verhalten wird. Die Modelle bestätigten, dass für Standardzement das Hinzufügen des Abfalls ein Gewinn auf beiden Seiten war, da es sowohl die Festigkeit als auch die Haltbarkeit steigerte. Für die alkalisch aktivierten Mischungen verdeutlichten die Modelle, dass die derzeitigen chemischen Rezepturen noch nicht reif genug sind, um diesen speziellen Abfall vollständig zu nutzen, da die Partikel zu träge bleiben, um die notwendige Bindungskraft zu liefern.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Verwendung von Ölraffinerieabfällen in Beton ein gangbarer Weg ist, aber dies erfordert den richtigen Ansatz. Das Ersetzen eines Teils des Zements durch diese Partikel schafft ein Hochleistungsmaterial, das widerstandsfähiger gegen Verschleiß ist und den CO2-Fußabdruck des Baugewerbes reduziert. Die Forscher schätzen, dass der Austausch von 20 Prozent des Zements die Kohlenstoffemissionen um etwa 170 Kilogramm pro Tonne verwendetem Bindemittel senken könnte. Dieser Vorteil wird jedoch nur realisiert, wenn der Abfall in traditionellen Zementmischungen verwendet wird, wo er als reaktiver Füllstoff fungiert. In den experimentelleren alkalisch aktivierten Systemen ist die Technologie noch nicht ausgereift genug, um diesen spezifischen Abfall effektiv zu verarbeiten. Die Arbeit bietet eine klare Roadmap für die Bauindustrie: Durch die sorgfältige Auswahl der Betonart und der Größe der Abfallpartikel können Bauherren Böden schaffen, die nicht nur nachhaltiger, sondern auch langlebiger sind, indem sie ein industrielles Nebenprodukt in ein Fundament für die Zukunft verwandeln.