TY - THES

T1 - Untersuchung von Flotationsabgängen als Ausgangsstoff zur Herstellung von alkali-aktivierten Bindemitteln

AU - Berner, Martin

N1 - nicht gesperrt

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - In der Mittersiller Wolframgrube der Firma Wolfram Bergbau und Hütten AG fallen beim Abbau und der Aufbereitung des Erzes große Mengen an Taubmaterial und Berge an. Großteils wird das Material, das aus der Flotation stammt, in Bergeteichen gelagert. Ein kleinerer Teil wird als Versatz zum Verfüllen des offenstehenden Grubengebäudes eingesetzt. Aus dem Taubmaterial werden geringwertige Gesteinskörnungen hergestellt, wobei auch hier ein großer Teil auf Halden deponiert wird.Zur Minimierung des benötigten Lagervolumens und zur Verlängerung der Verwendungszeiten der bewilligten Lagerfläche, wird an alternativen Verwendungsmöglichkeiten geforscht. Im Zuge dieser Arbeit wurde untersucht, ob die Flotationsberge als Ausgangsstoff zur Herstellung von alkali-aktivierten Bindemitteln dienen können. Bei alkalisch-aktivierten Bindemittelkonzepten, respektive Geopolymeren, stellt insbesondere die Löslichkeit von Aluminium und Silizium aus dem Feststoff in basischer Lösung eine Grundlage für die Bildung neuer, festigkeitsgebender Mineralphasen dar. Durch die alkalische Aktivierung kann somit ein Baustoff hergestellt werden, der mit herkömmlichem Beton vergleichbar ist und auch ein ähnliches Gefüge zeigt.Die Löslichkeit relevanter Elemente aus dem Feststoff hängt einerseits davon ab, in welcher Mineralphase das jeweilige Element gebunden ist. Darüber hinaus spielt auch die freie Oberfläche, respektive die Feinheit, eine maßgebliche Rolle. Da Flotationsabgänge in der Regel schon eine relativ hohe Mahlfeinheit haben, sind diese – bei entsprechender chemischer und mineralogischer Zusammensetzung – in vielen Fällen ohne weitere Prozesseschritte als Grundstoff für alkalisch-aktivierte Bindemittel geeignet. Der Zusatz anderer reaktiver Bestandteile (zum Beispiel Reststoffe aus der Mineralrohstoffindustrie) kann unter anderem einen wertvollen Beitrag zur Steigerung der Festigkeit solcher alternativer Baustoffe leisten. Die Reaktivität der Flotationsabgänge aus dem Mittersiller Bergbau in alkalischer Lösung wurde mittels Löslichkeitsversuchen an Proben unterschiedlicher Mahlfeinheit untersucht. Die Flotationsabgänge zeigen dabei moderate Löslichkeit von Aluminium und Silizium. Bei einer Vergrößerung der Oberfläche durch Mahlen zeigt sich erwartungsgemäß eine wesentliche Steigerung der Löslichkeit. Um die Wirksamkeit der alkalischen Aktivierung zu untersuchen, wurden in weiterer Folge zylindrische Prüfkörper aus Bindemittelpasten unterschiedlicher Zusammensetzung sowie Mörtelprimen in Anlehnung an EN 196 hergestellt und deren Druckfestigkeit bestimmt. Dabei wurde insbesondere der Einfluss der Zusammensetzung der zur Aktivierung verwendeten Lösung sowie deren Konzentration, respektive Menge, ermittelt. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Zusatzes von gemahlener Hochofenschlacke (HOS) der voestalpine Stahl GmbH aus Linz auf die Festigkeit untersucht. Durch Zusatz von HOS konnte sowohl die Frühfestigkeit als auch die Endfestigkeit erhöht werden. Bei gemahlenen Flotationsabgängen mit HOS konnten Druckfestigkeiten >46 MPa für die aus Bindemittelpasten hergestellten Proben gemessen werden. Für die Herstellung der Mörtelprismen wurden Mischungen aus gemahlenen Mittersiller Flotationsabgängen (spezifischen Oberfläche etwa 2600 cm²/g) und HOS (spezifische Oberfläche etwa 3100 cm²/g) mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen verwendet. Die Aktivierung erfolgte durch eine Lösung aus 10 N NaOH und Natronwasserglaslösung im Verhältnis 1:2,5. Dabei kam zum einen Normsand und zum anderen ein aus Mittersiller Material hergestelltes und der Korngrößenverteilung des Normsandes angeglichenes Normsandsubstitut zum Einsatz. Die Ergebnisse zeigen, dass die Festigkeit der Mörtelprismen mit steigendem Gehalt an HOS zunimmt. Bei den Proben mit Normsand konnte zum Beispiel bei einer Mischung aus Flotationsabgängen und HOS im Vehältnis 1:1 eine maximale Druckfestigkeit von etwa 35 MPa erreicht werden. Die Mörtelprismen mit Normsandsubstitut wiesen eine im Vergleich, zu den mit Normsand hergestellten Proben eine um etwa 40 % geringere Druckfestigkeit auf. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass aus den Flotationsabgängen des Bergbaues in Mittersill ein alkalisch-aktivierter Baustoff hergestellt werden kann. Die Verwendung eines derartigen Baustoffs muss jedenfalls durch weitere Versuche zur Bestimmung anwendungsspezifischer Parameter geklärt werden. Darüber hinaus sollten die Versuche mit Normsandsubstitut ebenfalls mit größeren Probekörpern und mit einer für Beton relevanten Korngrößenverteilung durchgeführt und Eigenschaften wie zum Beispiel die Frost-Tau-Wechselbeständigkeit bestimmt werden. Darüber hinaus wären zur Klärung des tatsächlichen Erhärtungsmechanismus der hier entwickelten Bindemittelkonzepte weitere Untersuchungen nötig.

AB - In der Mittersiller Wolframgrube der Firma Wolfram Bergbau und Hütten AG fallen beim Abbau und der Aufbereitung des Erzes große Mengen an Taubmaterial und Berge an. Großteils wird das Material, das aus der Flotation stammt, in Bergeteichen gelagert. Ein kleinerer Teil wird als Versatz zum Verfüllen des offenstehenden Grubengebäudes eingesetzt. Aus dem Taubmaterial werden geringwertige Gesteinskörnungen hergestellt, wobei auch hier ein großer Teil auf Halden deponiert wird.Zur Minimierung des benötigten Lagervolumens und zur Verlängerung der Verwendungszeiten der bewilligten Lagerfläche, wird an alternativen Verwendungsmöglichkeiten geforscht. Im Zuge dieser Arbeit wurde untersucht, ob die Flotationsberge als Ausgangsstoff zur Herstellung von alkali-aktivierten Bindemitteln dienen können. Bei alkalisch-aktivierten Bindemittelkonzepten, respektive Geopolymeren, stellt insbesondere die Löslichkeit von Aluminium und Silizium aus dem Feststoff in basischer Lösung eine Grundlage für die Bildung neuer, festigkeitsgebender Mineralphasen dar. Durch die alkalische Aktivierung kann somit ein Baustoff hergestellt werden, der mit herkömmlichem Beton vergleichbar ist und auch ein ähnliches Gefüge zeigt.Die Löslichkeit relevanter Elemente aus dem Feststoff hängt einerseits davon ab, in welcher Mineralphase das jeweilige Element gebunden ist. Darüber hinaus spielt auch die freie Oberfläche, respektive die Feinheit, eine maßgebliche Rolle. Da Flotationsabgänge in der Regel schon eine relativ hohe Mahlfeinheit haben, sind diese – bei entsprechender chemischer und mineralogischer Zusammensetzung – in vielen Fällen ohne weitere Prozesseschritte als Grundstoff für alkalisch-aktivierte Bindemittel geeignet. Der Zusatz anderer reaktiver Bestandteile (zum Beispiel Reststoffe aus der Mineralrohstoffindustrie) kann unter anderem einen wertvollen Beitrag zur Steigerung der Festigkeit solcher alternativer Baustoffe leisten. Die Reaktivität der Flotationsabgänge aus dem Mittersiller Bergbau in alkalischer Lösung wurde mittels Löslichkeitsversuchen an Proben unterschiedlicher Mahlfeinheit untersucht. Die Flotationsabgänge zeigen dabei moderate Löslichkeit von Aluminium und Silizium. Bei einer Vergrößerung der Oberfläche durch Mahlen zeigt sich erwartungsgemäß eine wesentliche Steigerung der Löslichkeit. Um die Wirksamkeit der alkalischen Aktivierung zu untersuchen, wurden in weiterer Folge zylindrische Prüfkörper aus Bindemittelpasten unterschiedlicher Zusammensetzung sowie Mörtelprimen in Anlehnung an EN 196 hergestellt und deren Druckfestigkeit bestimmt. Dabei wurde insbesondere der Einfluss der Zusammensetzung der zur Aktivierung verwendeten Lösung sowie deren Konzentration, respektive Menge, ermittelt. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Zusatzes von gemahlener Hochofenschlacke (HOS) der voestalpine Stahl GmbH aus Linz auf die Festigkeit untersucht. Durch Zusatz von HOS konnte sowohl die Frühfestigkeit als auch die Endfestigkeit erhöht werden. Bei gemahlenen Flotationsabgängen mit HOS konnten Druckfestigkeiten >46 MPa für die aus Bindemittelpasten hergestellten Proben gemessen werden. Für die Herstellung der Mörtelprismen wurden Mischungen aus gemahlenen Mittersiller Flotationsabgängen (spezifischen Oberfläche etwa 2600 cm²/g) und HOS (spezifische Oberfläche etwa 3100 cm²/g) mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen verwendet. Die Aktivierung erfolgte durch eine Lösung aus 10 N NaOH und Natronwasserglaslösung im Verhältnis 1:2,5. Dabei kam zum einen Normsand und zum anderen ein aus Mittersiller Material hergestelltes und der Korngrößenverteilung des Normsandes angeglichenes Normsandsubstitut zum Einsatz. Die Ergebnisse zeigen, dass die Festigkeit der Mörtelprismen mit steigendem Gehalt an HOS zunimmt. Bei den Proben mit Normsand konnte zum Beispiel bei einer Mischung aus Flotationsabgängen und HOS im Vehältnis 1:1 eine maximale Druckfestigkeit von etwa 35 MPa erreicht werden. Die Mörtelprismen mit Normsandsubstitut wiesen eine im Vergleich, zu den mit Normsand hergestellten Proben eine um etwa 40 % geringere Druckfestigkeit auf. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass aus den Flotationsabgängen des Bergbaues in Mittersill ein alkalisch-aktivierter Baustoff hergestellt werden kann. Die Verwendung eines derartigen Baustoffs muss jedenfalls durch weitere Versuche zur Bestimmung anwendungsspezifischer Parameter geklärt werden. Darüber hinaus sollten die Versuche mit Normsandsubstitut ebenfalls mit größeren Probekörpern und mit einer für Beton relevanten Korngrößenverteilung durchgeführt und Eigenschaften wie zum Beispiel die Frost-Tau-Wechselbeständigkeit bestimmt werden. Darüber hinaus wären zur Klärung des tatsächlichen Erhärtungsmechanismus der hier entwickelten Bindemittelkonzepte weitere Untersuchungen nötig.

KW - Geopolymer

KW - binder

KW - alkaline activated

KW - flotation tailings

KW - mining

KW - Geopolymer

KW - Bindemittel

KW - alkalisch aktiviert

KW - Flotationsabgänge

KW - Bergbau

M3 - Masterarbeit

ER -