Struktur und Strukturbildung von C-S-H-Phasen in zementären Bindemitteln der Zukunft

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Cölfen (†); Professor Dr.-Ing. Horst-Michael Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401097244

Betone sind der Hauptbaustoff unserer Zeit. Dessen wichtigstes Bindemittel global gesehen ist Portlandzement, dessen Herstellung jedoch mit einer erheblichen CO2-Freisetzung verbunden ist. Um diese Emissionen zu senken, wird weltweit intensiv an Alternativen gearbeitet. Zum Erreichen von mittelfristigen Zielen erweist sich derzeit der Einsatz sogenannter Kompositmaterialien (auch SCMs) als geeignetste Variante. Die Reaktion der Portland(komposit)zemente mit Wasser führt zur Bildung von nanoskaligen Calcium-Silikat-Hydrat (C-S-H) Phasen -den Haupthydratphasen im erhärteten Beton. Sowohl Struktur als auch Strukturbildung von C-S-H sind gegenwärtig noch unzureichend erforscht und bilden den Kern des Vorhabens. Nur bei Kenntnis dieser Parameter wird es möglich sein, eine spätere zielgerichtete Optimierung dieser Phasen durchzuführen und damit völlig neuartige makroskopische Eigenschaften der Betone zu generieren. Die geplante Kooperation beider Antragsteller wird es ermöglichen, neue Ansätze zur Strukturbildung aus den Grundlagen in die Ingenieurwissenschaften für die dort enorm wichtigen C-S-H-Phasen zu übertragen. Denn es wurde gezeigt, dass Kristalle nicht nur nach der klassischen Vorstellung gebildet werden, sondern auch durch Aggregation von Vorstufenphasen. Dies stellt eine völlig neue Perspektive bei der Gestaltung makroskopischer Eigenschaften von Beton dar.Das Vorhaben untergliedert sich in fünf systematisch aufeinander aufbauende Bereiche. Im ersten Teil werden C-S-H-Phasen und deren Bildungsbedingungen in zukünftigen Bindemitteln, bei denen unterschiedliche SCMs eingesetzt werden, untersucht (Realsystem). Im zweiten Teil werden diese dann im gezielt synthetisiert, um Mischanalysen zu vermeiden (Modellsystem). Im dritten Teil wird die Strukturbildung über potentielle Vorstufenphasen und deren Beeinflussung durch Fremdionen mittels Analytischer Ultrazentrifugation und dynamischer Lichtstreuung erforscht. Hier steht im Vordergrund, ob über den Eintrag von Fremdionen durch SCMs die Strukturbildung beeinflusst wird. Weiterhin ist es ein zentrales Ziel zu erforschen, ob mögliche amorphe Vorstufenphasen auch in zementären Systemen auftreten und damit ein weiteres Indiz für die nicht-klassische Kristallisationstheorie liefern. Der Einfluss von Fremdionen (z.B. Art und Konzentration) durch Verwendung von SCMs auf die Struktur (Kristallgitter, Löslichkeit) wird im vierten Teil an synthetischen C-S-H untersucht. Dafür werden Spektroskopie, Elektronenmikroskopie und Beugung mittels Synchrotronstrahlung komplementär verwendet. Der fünfte Teil beschäftigt sich mit der C-S-H-Bildung in der Grenzzone Gesteinskörnung-Zementstein und bildet damit den Übergang zu C-S-H-Phasen in Betonen. Die Ergebnisse des Projektes werden fachübergreifend diskutiert und in entsprechenden Zeitschriften veröffentlicht. Das wesentliche Ziel besteht darin, einen Beitrag zur Struktur und Strukturbildung des wichtigsten Reaktionsprodukts des Zementes zu leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen