Flugasche

Flugasche im Rasterelektronenmikroskop (REM)

Unter Flugasche versteht man kieselsäure- oder kalkreiche, staubartige Verbrennungsrückstände von Kohlenstaub, die bei der Reinigung der Rauchgase von Dampferzeugern in Kohlekraftwerken anfallen und als:

• Zusatzstoffe für Beton oder
• als Hauptbestandteile (Kurzzeichen V oder W) bestimmter Zementarten

Verwendung finden.
Flugasche besteht z. T. aus kugeligen Partikeln mit puzzolanischen Eigenschaften. Ihre Zusammensetzung hängt in starkem Maß von Art und Herkunft der Kohle und den Verbrennungsbedingungen ab.
Als Betonzusatzstoff im Beton kann Flugasche die Kornverteilung von Gesteinskörnung im Feinstbereich verbessern und dadurch im Zusammenhang mit der überwiegend kugeligen Kornform (Kugellager-Effekt) die Verarbeitbarkeit von Betonen günstig beeinflussen. Zusätzlich können die puzzolanischen Eigenschaften eine zusätzliche Gefügeverdichtung im erhärtenden Beton herbeiführen. Da diese puzzolanischen Reaktionen im Vergleich zur Hydratation des Zements verhältnismäßig langsam ablaufen, tritt dieser Einfluss erst nach einiger Zeit in den Vordergrund.
Bei der Herstellung von Sichtbeton ist zu beachten, dass sich Flugaschen abhängig von der Herkunft der verwendeten Kohlen und dem Glühverlust mehr oder weniger intensiv in ihrer Farbe voneinander unterscheiden können.
Als Betonzusatzstoffe sind bestimmte Flugaschen geeignet, die besonderen Anforderungen, u. a. hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, ihres Glühverlusts, ihres Anteils an glasigen Bestandteilen und besonders ihrer Feinheit sowie ihres Einflusses auf Erstarren, Raumbeständigkeit und Druckfestigkeit genügen.
Der Betonzusatzstoff Steinkohlenflugasche darf verwendet werden, wenn er der DIN EN 450 "Flugasche für Beton" entspricht oder eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) besitzt. Flugasche muss wenigstens zwei Drittel glasige Partikel enthalten und im Wesentlichen aus reaktionsfähigem Siliciumdioxid SiO₂ und Aluminiumoxid Al₂O₃ sowie geringen Anteilen Eisenoxid Fe₂O₃ und anderen Oxiden bestehen. Der Anteil an reaktionsfähigen Calciumoxid CaO sollte i. A. unter 5 M.-% liegen und der Anteil an reaktionsfähigem Siliciumdioxid SiO₂ muss mindestens 25 M.-% betragen. Steinkohlenflugasche zählt zu den künstlichen Puzzolanen. Ihr Glasanteil kann bei normaler Temperatur mit gelöstem Calciumhydroxid, z. B. dem Zementklinker, chemisch reagieren und erhärtungsfähige Verbindungen bilden.
Flugaschen aus anderen Feuerungsverfahren als Kohlekraftwerken dürfen zur Herstellung von Zementen nach DIN EN 197-1 nicht verwendet werden. Kieselsäurereiche Flugaschen (V) bestehen hauptsächlich aus kugelförmigen, glasigen Partikeln mit puzzolanischen Eigenschaften und stammen in der Regel aus steinkohlebefeuerten Kraftwerken. Kalkreiche Flugaschen (W) sind feinkörnige Stäube mit hydraulischen und/oder puzzolanischen Eigenschaften. Sie stammen vorwiegend aus Braunkohle-Feuerungsanlagen.

Herstellung

Entstehung von Flugasche und Kesselsand in Kraftwerken
Quelle: Wirtschaftsverband Mineralische Nebenprodukte e.V.

Stein- und Braunkohle wird in Kraftwerken zunächst zu Kohlenstaub gemahlen und dann mit der Verbrennungsluft in den Feuerraum gefördert, wo die organischen Bestandteile der Kohle unter Wärmefreisetzung je nach Feuerungsart bei Temperaturen zwischen etwa 800 °C und 1700 °C verbrennen. Die nichtbrennbaren mineralischen Bestandteile können bei höheren Feuerraumtemperaturen aufgeschmelzen und glasig erstarren. Sie agglomerieren zum Teil zu gröberen Partikeln und sammeln sich am Kesselboden (je nach Feuerungsart als Schmelzkammergranulat oder Kesselsand).
Die im Rauchgas befindlichen feinen Mineralpartikel werden ebenfalls größtenteils aufgeschmolzen und vom Rauchgas mitgerissen. Die bei Abkühlung erstarrten glasig-amorphen Aschepartikel mit überwiegend kugeliger Kornform werden durch elektrostatische Trennung im mehrstufigen Elektrofilter als Flugasche gewonnen und pneumatisch oder mechanisch in ein Silo gefördert.
Nach DIN EN 450-2 kann Flugasche in geeigneten Produktionsanlagen zur Optimierung ihrer Eigenschaften aufbereitet werden zum Beispiel durch:

• Sichten,
• Sieben,
• Trocknung,
• Mischen,
• Mahlen und
• Reduktion des Kohlenstoffs.

Die Aufbereitung von Flugasche durch Sichten oder Sieben dient hauptsächlich der Erhöhung der Feinheit sowie der Verbesserung der Kornform und Kornzusammensetzung und damit der Reduzierung des Wasseranspruchs. Die Feinheiten von Steinkohlenflugaschen aus deutschen Kraftwerken liegen i. d. R. zwischen etwa 2700 cm²/g und 5300 cm²/g nach Blaine.
Zusammensetzung von Steinkohlenflugaschen

Bestandteil	Anteile [M.-%]
Siliciumdioxid (SiO2)	36 ... 59
Aluminiumoxid (Al2O3)	20 ... 35
Eisen(III)-Oxid (Fe2O3)	3 ... 19
Calciumoxid (CaO)	1 ... 12
Magnesiumoxid (MgO)	0,7 ... 4,8
Kaliumoxid (K2O)	0,5 ... 6
Natriumoxid (Na2O)	0,1 ... 3,5
Schwefeltrioxid (SO3)	0,1 ... 2
Titandioxid (TiO2)	0,5 ... 1,8

Siehe auch

• Zementarten
• Zementherstellung

Literatur

• Locher, Friedrich W.: Zement – Grundlagen der Herstellung und Verwendung. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2000
• Zement-Merkblatt B1: Zemente und ihre Herstellung
• Zement-Merkblatt B3: Betonzusätze, Zusatzmittel und Zusatzstoffe
• Lutze, Dietmar; Berg, Wolfgang vom: Handbuch Flugasche im Beton. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2009
• Wiens, Udo; Müller, Christoph: Die puzzolanische Reaktion von Steinkohlenflugasche. In: Beton-Informationen 2+3/2000, S. 27
• Schneider, Eberhard; Guse, Ulf; Müller, Harald: Zur Wirksamkeit von Flugasche im Beton. In: beton 10-2005, S. 488
• Schießl, Peter; Härdtl, Reiner: Steinkohlenflugasche im Beton. In: beton 11-1993, S. 576
• Wischers, Gerd / Sprung, Siegbert: Verbesserung des Sulfatwiderstands von Beton durch Zusatz von Steinkohlenflugasche. In beton 1-1990, S. 17, und beton 2-1990, S. 62
• Schulze, Simone Elisabeth: Zur Reaktivität von Steinkohlenflugaschen und ihrer Rolle bei der Hydratation flugaschehaltiger Zemente. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2014