Die Kinetik der C3S-Hydratation – Physikalisch-chemische Modellierung unter Berücksichtigung von K+, Al(OH)4- und SO42- in der Porenlösung

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Frank Bellmann; Professor Dr. Jürgen Neubauer
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522100430

Das Verständnis der chemischen Prozesse während der Zementhydratation ist essentiell für die Verbesserung von Zementen, besonders im Zuge der Herausforderung zur Senkung der CO2 Emissionen bei der Zementherstellung. Dabei soll vor allem der Anteil des Klinkers im Zement reduziert werden, weshalb der verbliebene Klinkeranteil leistungsfähiger werden muss. Portlandzement ist bei weitem der am meisten verbreitete und verwendete Zement, dessen Hauptbestandteil der sogenannte Alit (fremdionen-stabilisiertes Ca3SiO5) ist. Da die Zementhydratation ein Multiphasengemisch darstellt, wird der Alit als einfacheres Modellsystem verwendet, um die chemischen Prozesse besser zu verstehen. Alit sorgt während der Reaktion des Zements mit Wasser für den Aufbau der Früh- und Endfestigkeiten des Zements. Alit reagiert dabei mit Wasser zur kristallinen Phase Portlandit (Ca(OH)2) und der C-S-H-Phase, welche nur im Nanometerbereich eine geordnete Struktur besitzt. Der genaue Mechanismus der Hydratationsreaktion des Alits ist trotz intensiver Forschung noch nicht endgültig verstanden. In den letzten Jahren ist durch die Erhebung experimenteller Daten ein kinetisches Modell zur Alithydratation entstanden, welches im ersten Schritt ohne Fremdionen im System verifiziert wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die Reaktionsraten während der frühen Hydratation sehr gut durch die Fällungsraten von C-S-H beschrieben werden können. Da in einem Portlandzement jedoch auch andere Ionen (u.a. Aluminium, Alkalien, Sulfat) an der Hydratation beteiligt sind, musste auch deren Einfluss auf die Hydratation, insbesondere auf die Fällungsraten des C-S-H, geklärt werden. Bisher konnte der Einfluss von Aluminium und Alkalien experimentell belegt und in das kinetische Modell eingearbeitet werden. Dieser Antrag behandelt nun den Einfluss von Sulfat auf die Alithydratation, auch unter Berücksichtigung anderer Ionen (Aluminium, Alkalien). Dabei soll der Einfluss auf die Fällungsraten von C-S-H untersucht werden und das kinetische Modell, um den Beitrag des Sulfats erweitert werden. Abschließend soll ein Simulationsprogramm erstellt werden, welches die erhobenen Datensätze nachvollziehen soll. Durch eine erfolgreiche Modellentwicklung können dann Datensätze aus bereits publizierten Arbeiten in die kinetische Betrachtung einbezogen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen