Untersuchung und Modellierung der Alithydratation

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Frank Bellmann; Professor Dr. Jürgen Neubauer
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267102159

Derzeit werden über 4 Milliarden Tonnen Zement jährlich produziert und verbraucht. Der Herstellungsprozess verursacht etwa 8% der anthropogenen Kohlendioxidemissionen und ist darüber hinaus mit einem hohen Primärenergieverbrauch verbunden. Aus dem Zement wird Beton hergestellt, welcher der wichtigste Werkstoff für die Erstellung von Bauwerken ist.Trotz der großen Bedeutung des Materials sind die Kenntnisse über die Reaktionen beim Abbinden des Zementes unzureichend. Ein Verständnis der Zusammenhänge ermöglicht langfristig eine Senkung von herstellungsbedingten Umweltbelastungen und die Entwicklung von hochleistungsfähigen Bindemitteln und Betonen. Im vorangegangenen Projekt wurden wichtige Beiträge zu den Grundlagen der Reaktion von fremdoxidfreiem Tricalciumsilikat geliefert. So konnte zum ersten Mal nachgewiesen werden, dass die Kinetik in den ersten Stunden bis zum Maximum der Hauptperiode vollständig von der Fällungsgeschwindigkeit des Reaktionsproduktes C-S-H abhängt. Neben diesem qualitativen Nachweis wurden alle individuellen Parameter wie Grenzflächenraten, Oberflächen, Umsatzgrade und Lösungszusammensetzungen quantitativ bestimmt und in einem einfachen und robusten kinetischen Modell zusammengefasst. Mit Hilfe dieses Modells wurde die Hydratation von Tricalciumsilikat quantitativ beschrieben und die Ergebnisse werden durch experimentelle Daten belegt. Zu den experimentellen Methoden für die Modellvalidierung zählen quantitative Röntgenbeugungsanalyse mit Rietveld-gestützter G-Faktorauswertung, Wärmeleitungskalorimetrie, Messung der Ionenkonzentrationen in der Porenlösung, Thermoanalyse, 29Si- Kernresonanzspektroskopie, Elektronenmikroskopie und Oberflächenmessungen. Im Fortsetzungsantrag sollen die Erkenntnisse auf die Reaktion von fremdoxidhaltigem Alit übertragen werden, da mehrere Ionen die Kinetik in unterschiedlicher Form beeinflussen. So ist bekannt, dass Aluminium in unterschiedlicher Zugabeform die Haupthydratation verzögern kann, während diese durch die Anwesenheit von gelösten Alkalien beschleunigt wird. Im Fortsetzungsprojekt soll die Wirkung von Aluminium, Sulfat und Alkalien individuell und in Kombination untersucht werden. Dies beinhaltet auch eine Reihe von Grundlagenuntersuchungen wie die Bestimmung von Auflösungsraten und Fällungsraten zur Identifikation der zu Grunde liegenden Mechanismen der Fremdoxidwirkung. Mit Hilfe der erhaltenen Daten kann das Modell von fremdoxidfreiem Tricalciumsilkat auf den Alit im Zementsystem erweitert werden. Die Überprüfung erfolgt durch umfassende analytische Untersuchungen unter Verwendung von Methoden, die bereits im vorangegangenen Projekt verwendet wurden.Aufbauend auf diese Ergebnisse werden mit Hilfe von Simulationsberechnungen und experimentellen Arbeiten neue Möglichkeiten zur Beeinflussung der Hydratationskinetik untersucht. Das langfristige Ziel ist dementsprechend ein Verständnis und eine Steuerung der Zementhydratation.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen