Stahlwerksschlacken als Basis CO2-neutraler Bindemittel

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst-Michael Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542147582

Die Betonherstellung und insbesondere die Zementherstellung sind mit wesentlichen CO2-Emissionen und einem enormen Ressourcenverbrauch verbunden. Um den Zementeinsatz nachhaltiger zu gestalten, können alternative Materialien als Bindemittel verwendet werden. Stahlwerksschlacken sind in großen Mengen weltweit verfügbar und werden derzeit deponiert oder als Gesteinskörnung verwendet. Dabei weist die chemische- mineralogische Zusammensetzung auf hydraulische Fähigkeiten hin. Die Schlacken enthalten große Mengen C2S, welcher auch in Portlandzement vorzufinden ist. Derzeit werden Stahlwerksschlacken jedoch nur in begrenzten Umfang als Bindemittel eingesetzt. Aus noch ungeklärten Gründen zeigen sie eine sehr geringe Reaktivität, zudem kann es zu einer verzögerten Erstarrung kommen, wenn sie in Kombination mit Portlandzement eingesetzt werden. Ziel des Projekts ist es, aus Stahlwerksschlacken ein klinkerfreies bzw. stark klinkerreduziertes Bindemittel mit geringer CO2-Emission herzustellen. Dazu werden zunächst verschiedene europäische Stahlwerksschlacken mit modernen Methoden charakterisiert, besonderer Fokus liegt dabei auf der Ausbildung hydraulisch aktiver Phasen. Zusätzlich wird Genese der Schlacken mittels thermodynamischer Modellierung nachvollzogen. Anschließend wird das Hydratationsverhalten der Schlacken untersucht. Ziel ist es, die Ursache für die geringe Reaktivität der Schlacken und die Ursache für etwaige Verzögerungseffekte zu beschreiben. Die Untersuchungen erfolgen zum einen an realen Schlacken. Hierbei wird unter anderem die Freisetzung verschiedener Ionen zu analysiert, die im Portlandzement unüblich sind. Zum andern wird synthetisiertes C2S genutzt, das dem in Schlacken enthaltenen C2S nachempfunden ist. Dabei wird die Reaktivität des C2S zunächst losgelöst von den anderen Phasen der Schlacken und später in Kombination mit der Schlacken-Porenlösung untersucht. Das Hydratationsverhalten wird dabei durch verschiedene analytische Methoden verfolgt und thermodynamisch modelliert. Mit diesen Erkenntnissen werden anschließend 3 Strategien verfolgt, um die Reaktivität der Schlacken zu verbessern: 1) Durch den Einsatz von Komplexbildnern können die Hydratation störende Ionen der Porenlösung entzogen werden. 2) Mittels Karbonatisierung kann schwach reaktives C2S zu reaktiver Kieselsäure und CaCO3 geformt werden und dadurch ein puzzolanischen Material entstehen. Außerdem soll die bisher wenig betrachtete Karbonatisierung eisenhaltiger Phasen (Wüstit, C2F) untersucht und eine positive Wirkung auf das Reaktionsverhalten evaluiert werden. 3) Durch eine thermo-chemische Konditionierung der Schlacken soll die Reaktivität gesteigert werden. Dazu werden die gewonnenen Erkenntnisse der thermodynamischen Modellierung genutzt. Die Ergebnisse werden im Labormaßstab umgesetzt. Schließlich werden die unterschiedlichen Strategien evaluiert. An 2 besonders aussichtsreichen Systemen werden abschließend Mörtelversuche durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2436: Klimaneutraler Beton