Chemische, mineralogische und technologische Untersuchungen des Abbindeverhaltens von Brennstoffaschen rheinischer Braunkohlenkraftwerke und -lagerstätten

Die Kohleförderung in Deutschland ist tagespolitisch ein viel diskutiertes Thema. Insbesondere über den Kohleausstieg wird dabei in der Öffentlichkeit konträr debattiert. Innerhalb der vergangenen 30 Jahre wurde der Jahresbedarf der Kohleförderung bereits um 60 % gesenkt. Seit 2018 wird noch ausschließlich Braunkohle in Deutschland gefördert. Im Gegensatz zu den bisher mit angefallenen Steinkohlenflugaschen, welche aufgrund ihrer puzzolanischen Eigenschaften als Zusatzstoff in der Zementindustrie eingesetzt werden, werden die beim Betrieb der Kraftwerke anfallenden Braunkohlenflugaschen fast ausschließlich zum Verfüllen von Tagebauen verwendet. Zwar weisen die Braunkohlenflugaschen ebenfalls ein hydraulisches Abbindeverhalten auf, allerdings eignen sich diese aufgrund einer sehr heterogenen Materialzusammensetzung nur mit Einschränkungen für den Einsatz als marktfähige Bindemittelkomponente. Bezüglich des Verfestigungsverhaltens fehlt neben sachgerechten Prüfverfahren sowohl ein an die veränderten Eigenschaften der zu deponierenden Kraftwerksnebenprodukte angepasstes Modell der chemischen Reaktionen und der damit zusammenhängenden Gefügebildung, als auch dessen umfängliche Validierung durch experimentelle Versuche. Das Hydratationsverhalten der Braunkohlenflugaschen konnte in dieser Arbeit in drei grundlegende Abschnitte unterteilt werden. Direkt nach Wasserzugabe kommt es zu einer vergleichsweise heftigen exothermen Initialreaktion, bei der Freikalk und Anhydrit zu Portlandit und Gips reagieren. Anschließend folgt eine kontinuierliche Verdichtungsphase, bei der, je nach Aschesorte, verschiedene CSH-Phasen und Natrium-(Calicum-)Sulfate gebildet und teilweise auch wieder verbraucht werden. In der zeitlich offenen Endphase stagniert die Phasenbildung der Sulfatphasen. Eine der wichtigsten Erkenntnisse der Mineralphasenentwicklung während der Hydratation liegt im konkurrierenden Verhalten, der zum Teil parallel ablaufenden Reaktionen. Mineralphasen die anfänglich einen festigkeitssteigernden Beitrag liefern, können im späteren Verlauf aufgrund stetiger Volumenzunahme zu einer Schwächung des Gefüges und der Festigkeit führen. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit legen eine wissenschaftliche Basis für das grundlegende Verständnis des Reaktionsverhaltens hydraulisch abbindender Brennstoffaschen dar. Darüber hinaus dürften die Ergebnisse bezüglich des Hydratations- und Festigkeitsverhaltens auf andere Aschsysteme übertragbar sein, unabhängig davon, ob es sich um Kohlen, junge Biomassen oder andere Ausgangsbrennstoffe handelt.al mining in Germany is a much discussed topic in daily politics. Especially the coal phaseout is debated controversially in the public. Within the last 30 years, the annual demand of coal production has already been reduced by 60%. Since 2018, only lignite has been produced in Germany. In contrast to the hard coal fly ash that has been produced up to now, which is used as an additive in the cement industry due to its pozzolanic properties, the lignite fly ash produced during the operation of the power plants is used almost exclusively for backfilling opencast mines. Although lignite fly ash also exhibits hydraulic setting behavior, its very heterogeneous material composition makes it suitable for use as a marketable binder component only to a limited extent. With regard to the solidification behavior, in addition to appropriate test methods, there is a lack of both a model of the chemical reactions and the associated microstructure formation adapted to the changed properties of the power plant by-products to be landfilled and its comprehensive validation by experimental tests. In this work, the hydration behavior of lignite fly ash could be divided into three basic stages. Immediately after the addition of water, a comparatively violent exothermic initial reaction occurs, in which free lime and anhydrite react to form portlandite and gypsum. This is followed by a continuous compaction phase, during which, depending on the type of ash, various CSH phases and sodium-(calicum)-sulfates are formed and partly consumed again. In the final phase, which is open in time, the phase formation of the sulfate phases stagnates. One of the most important findings of the mineral phase development during hydration lies in the competing behavior, of the partly parallel reactions. Mineral phases that initially provide a strength-increasing contribution can later lead to a weakening of the microstructure and the strength due to a steady increase in volume. The findings obtained in this work provide a scientific basis for a fundamental understanding of the reaction behavior of hydraulically setting fuel ashes. Furthermore, the results regarding hydration and strength behavior should be transferable to other ash systems, regardless of whether they are coals, young biomasses or other feedstock fuels