Ökologische und energetische Optimierung von Betonen: Herausforderungen bei der Verarbeitung calcinierter illitischer und smectitischer Tone – Lösungsansätze mittels maßgeschneiderter Fließmittelstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Johann Plank; Professor Dr.-Ing. Karl-Christian Thienel
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314833927

Im Vorgängerprojekt wurde gefunden, dass Metamuskovit und Metakaolin mit gängigen Fließmitteln zu verflüssigen sind, während Metaillit sich gänzlich anders verhält und sich nicht verflüssigen ließ. Illit wird jedoch aufgrund seines global besonders häufigen Vorkommens eine wesentliche Rolle bei der Klinkersubstitution spielen. In diesem Fortsetzungsantrag soll deshalb zunächst das Verhalten des calcinierten Dreischichtsilikats Illit bezüglich seiner chemisch-mineralogischen Eigenschaften und Oberflächenstruktur näher untersucht werden. Neben einer ausführlichen physikalischen Charakterisierung sind umfassende tonmineralische Untersuchungen (Partikelgrößen/-morphologie, Kationenaustauschkapazität, Zeta-Potential, Wasseraufnahmefähigkeit) vorgesehen, um die Oberflächeneigenschaften (Schichtladungen) zu erfassen. Besonders betrachtet wird die Entwicklung der Oberflächenladung im Zement, wozu Zeta-Potentialmessungen in einer Porenlösung erfolgen, in welcher durch den calcinierten Ton aufgenommene Ionen sofort nachgelöst werden, um so die Oberflächenladung unter Gleichgewichtsbedingungen (Sättigungsadsorption) zu ermitteln. Anhand dieser Daten kann der räumliche Abstand des auf der Oberfläche aufgenommenen Ca2+ berechnet werden. Hierzu ist eine Kooperation mit Dr. Emmerich (KIT) vorgesehen, um die Kompetenz ihres Arbeitskreises zu illitischen Tonmineralien in das Projekt einzubringen.Da Illit häufig in Wechsellagerung mit Smektit vorkommt und calcinierter Smektit im Vorgängerprojekt nicht betrachtet wurde ist geplant, auch diese beiden Proben zu untersuchen. Die Sequenz Metaillit  calc. Illit–Smektit Metasmektit soll einen systematischen Modellansatz bzgl. der mineralogischen Besonderheiten von Dreischichtsilikaten ermöglichen.Der zweite Projektabschnitt ist dem rheologischen Verhalten der drei calcinierten Tone sowie ihrer Wechselwirkung mit Zement gewidmet. Aufbauend auf den Erkenntnissen zur Oberflächenstruktur und -ladung sollen gezielt Fließmittel synthetisiert werden, bei denen anhand sterischer Betrachtung der Molekülgeometrie eine Komplexbildung zwischen den Oberflächen–Ca2+-Ionen und den anionischen funktionellen Gruppen des Fließmittels möglich ist. Dazu sollen MPEG, APEG und HPEG-Polycarboxylate mit variiertem Abstand der Carboxylatgruppen, ein amphoteres Polymer sowie ein sulfonat- und ein phosphatmodifiziertes Fließmittel gezielt synthetisiert und bzgl. Verflüssigungswirkung ausgeprüft werden. Auf diese Weise soll ein tieferes Verständnis dafür entwickelt werden, welche spezifischen Molekülparameter vorhanden sein müssen, um Metaillit zu verflüssigen. Die verflüssigende Wirkung optimierter Fließmittel soll des Weiteren anhand von Rotationsviskosimetrie erfasst werden. Schließlich soll zum finalen Verständnis der Wechselwirkung Fließmittel-Zement-calcinierte Tone durch Auspressversuche herausgefunden werden, ob Fließmittel bevorzugt auf Zement oder calciniertem Ton adsorbieren und somit diese beiden Stoffe u.U. selektiv verflüssigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen