Calcinierte Tone als puzzolanischer Hauptbestandteil für Kompositzemente Teil 2: Betonuntersuchungen mit besonderer Berücksichtigung der Dauerhaftigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst-Michael Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277105215

Aufgrund der Klimadebatte wird an der Entwicklung nachhaltiger Zemente gearbeitet. Eine wichtige Strategie ist dabei, den mit starken CO2-Emissionen verbundenen Klinkeranteil im Zement durch geeignete Kompositmaterialien zu ersetzen. Als Klinkersubstitut bieten sich calcinierte Tone an, die weltweit in großer Menge verfügbar sind. Ziel der ersten Projektphase war es, die grundlegende Eignung von calcinierten Tonen auf der Basis sehr unterschiedlicher Haupttonminerale als Kompositmaterial im Zement zu bewerten. Die Untersuchungen im ersten Projektabschnitt wurden an nahezu reinen Tonmineralen vorgenommen. Für die unterschiedlichen Tone wurden optimale Brenntemperaturen bezüglich der maximalen Puzzolanität ermittelt. Die Reaktivität der calcinierten Tone sinkt in der Reihenfolge Metakaolin < Metamontmorillonit < Metaillit. Im 2. Teil der ersten Projektphase wurden dann entsprechend zusammengesetzte kommerzielle Tonrohstoffe auf ihre Aktivierbarkeit bei Anwendung verschiedener Calciniertechniken untersucht. In allen untersuchten Brennaggregaten lassen sich reaktive Metatone erzeugen, wobei hierfür im Muffelofen eine Stunde, im Drehrohrofen 10 Min und im Flashcalciner lediglich 1-2 Sek benötigt werden. Die Bildung amorpher Phasen vor der Glasbildung führt bei allen Tonen zu einer signifikanten Erhöhung der puzzolanischen Reaktivität. In Mischzementen (mit 30 M.-% Metaton) weisen alle Tone eine nur geringe Reaktivität zu Beginn der Hydratation auf. Nach 28 Tagen zeigen die Mischzemente mit Metakaolin und Metabentonit höhere Festigkeiten als der zugrundeliegende CEM I-Zement. Der Metaillit liegt bezüglich der Festigkeitsbeiträge im Bereich guter Steinkohlenflugaschen. Basierend auf den Ergebnissen des ersten Projektteils wurde ein Parametermodell in Nomogrammform entwickelt. In der beantragten zweiten Projektphase sollen die Dauerhaftigkeitseigenschaften von Betonen mit calcinierten Tonen untersucht werden. Für die Untersuchungen wird auf die kommerziellen Rohtone der ersten Projektphase zurückgegriffen, um die bereits vorliegenden Untersuchungsergebnisse für die zweite Phase nutzen zu können. Darüber hinaus werden für die Versuche diese Rohtone weiter mit Quarzmehl verdünnt, bis die normative Grenze bezüglich der reaktiven Kieselsäure erreicht wird (≥ 25,0 M.-%). Nach der optimalen Calcinierung und Mahlung der Tone werden Mischzemente CEM II/B S, CEM II/C-M (Q-LL) und CEM VI (Q-LL) hergestellt, mit denen dann die Dauerhaftigkeits-untersuchungen am Beton durchgeführt werden. Dabei werden sowohl der Ton, die Klinkerbasis und der Sulfatträger variiert. Der Zementeinfluss soll für die Expositionen Carbonatisierung, Chlorideindringen und Frost-/Frost-Tausalz-Angriff in Betonuntersuchungen ermittelt werden. In parallel durchgeführten grundlegenden Untersuchungen soll eine Interpretationsbasis für die ermittelte Betondauerhaftigkeit geschaffen werden. Dabei werden sowohl physikalische wie auch chemisch-mineralogische Einflussfaktoren untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen