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.