Influence of ageing of binder systems on the performance of additives
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes konnte das Verständnis der Alterung von Portlandzement vertieft und auf die Klinkerphasen erweitert werden. Die Reaktion der Aluminatphasen mit atmosphärischer Feuchte in Gegenwart von sulfathaltigen Abbindereglern resultiert in der Bildung von nanoskaligen Ettringitkristalliten auf der Zementpartikeloberfläche. Diese agieren als Nukleationskeime für die Ettringitkristallisation während der Hydratation von gealtertem Zement, wodurch dieser deutlich schneller abbindet als frischer Zement. Die Ettringitkristallite werden bei längerer Exposition durch atmosphärisches CO2 zersetzt, die Geschwindigkeit der Carbonatisierung ist abhängig von der Kristallmodifikation der Aluminatphase. Dem beschleunigten Abbinden von gealtertem Zement kann durch Zugabe von Verzögerern während der Hydratation entgegengewirkt werden. Mit zunehmender Alterungsdauer erhöht sich dabei die Wirkung der Verzögerer bei gleichbleibender Dosis. Grund dafür sind eine bei gealtertem im Vergleich zu frischem Zement verlangsamte Adsorption der Verzögerer und dem Inlösunggehen von Calcium. Die beschleunigte Ettringitkristallisation in gealtertem Zement führt zur Ausbildung einer ausgeprägten Ettringitschicht um die Zementpartikel, die weiterem Wasserzutritt entgegensteht. Dadurch wird die Hydratation von gealtertem Zement und somit dessen Festigkeitsentwicklung erheblich verlangsamt. Nach Verzögererzugabe zu gealterter Aluminatphase konnte eine erhöhte Geschwindigkeit bei der Auflösung der Partikel und der Hydratbildung beobachtet werden. Die Alterungsuntersuchungen wurden von reinem Portlandzement auf das ternäre Bindemittelsystem (OPC / CAC / AH) erweitert. Dabei konnte eine vergleichbare Ettringitbildung durch die CA- und CA2-Phasen des Aluminatzements in Anwesenheit einer Sulfatquelle beobachtet werden wie zuvor durch die Aluminatphasen des Portlandzements. Eine individuelle Alterung von Aluminatzement und Anhydrit führte in keinem Fall zur Bildung von Alterungsprodukten. Abschließend wurde der Einfluss von Zusatzmitteln auf die Alterung des ternären Bindemittelsystems untersucht. Dabei konnte eine starke Erhöhung der Aufnahme von atmosphärischer Feuchte durch den Beschleuniger Lithiumcarbonat beobachtet werden. Das PCE-Fließmittel wird von Alterungsprodukten überwachsen, wodurch das Ausbreitmaß einer Formulierung des ternären Systems und PCE mit zunehmender Alterungsdauer stärker reduziert wird. Während der Hydratation wird das Fließmittel jedoch mit der Zeit wieder freigesetzt, wodurch eine zeitlich versetzte Wirkung und damit auch eine Verzögerung des Abbindens verursacht wird. Die in diesem Projekt erarbeiteten Resultate zeigen, dass die Zementalterung ein vielschichtiges Phänomen darstellt. Das Alterungsverhalten einzelner Komponenten unterscheidet sich mitunter signifikant. Die Alterung des Gesamtsystems kann zum Teil aus der Summe seiner einzelnen Bestandteile abgeleitet werden, so wie es bei den Zusatzmitteln für Trockenmörtelformulierungen auftrat. Auf der anderen Seite kann in einem System die Kombination auch wenig reaktiver Komponenten auch zu einer deutlich stärkeren Alterung führen, wie die Untersuchung des ternären Bindemittelsystems zeigt. Für den Anwender kann die gleichbleibende Leistung eines zementären Bindemittels nur durch die sorgfältige Handhabe unter Ausschluss von Feuchte und CO 2 von der Herstellung bis zum Einsatz garantiert werden.
Publications
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"Wirksamkeit von Verzögerern in gealtertem Zement und reinen Klinkerphasen", 20. ibausil, Bauhaus-Universität Weimar (Germany), September 12 – 14, Tagungsband 1, 2018, p. 553 – 560
Hartmann FA, Meier MR, Plank J.
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"Mechanisms and Effectiveness of Retarders in Aged Cement and Pure Clinker Phases”, 15th International Congress on the Chemistry of Cement (ICCC), September 16 – 20, Prague (Czech Republic), 2019, Conference proceedings, Contribution ID: 103
Hartmann FA, Meier MR, Plank J
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(2020) Impact of Aging on the Hydration of Tricalcium Aluminate (C3A)/Gypsum Blends and the Effectiveness of Retarding Admixtures. Zeitschrift für Naturforschung B 75(8) 739–753
Hartmann FA, Plank J.
