Gefügebildung in klinkerarmen Bindemitteln mit hohem Kalksteinanteil

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Detlef Heinz
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 334443801

Auf Grund der energieintensiven Herstellung von Portlandzementklinker ist die Entwicklung leistungsfähiger Betone mit einem möglichst geringen Klinkergehalt hinsichtlich der Reduzierung von CO2-Emissionen und der Energieeinsparung zukunftsweisend. Dabei ist Kalkstein ein Zusatzstoff, der schon in den Steinbrüchen der Zementhersteller vorhanden ist, relativ wenig Mahlenergie benötigt und nahezu uneingeschränkt zur Verfügung steht. Die Herstellung von Bindemitteln mit über 50% Kalksteinmehl liegt allerdings außerhalb der Grenzen der heutigen Technologie und kann nur mit Kenntnis der Mechanismen, welche die Entwicklung des festen Gefüges aus einem dichtgepackten Bindemittelleim steuern, erreicht werden. Dazu gehören die Wechselwirkungen zwischen den Partikeloberflächen und den gelösten Ionen sowie den Fließmittel-Molekülen. Sie bestimmen die Dispergierung der Partikel, die Keimbildungs- und Wachstumsvorgänge und vor allem die räumliche Verteilung der Hydratationsprodukte zwischen den Kalksteinpartikeln und steuern den Verlauf der Hydratation und die Festigkeitsentwicklung.In den Experimenten werden die Ausgangsstoffe (CEM I, Calcit) in eine Reihe einzelner Korngrößenfraktionen getrennt. Zunächst werden Calcit-Fraktionen systematisch zusammengestellt, um ein Korngemisch mit einer hohen Packungsdichte zu erhalten. Im nächsten Schritt werden verschiedene Fraktionen des Calcit-Korngemisches durch CEM I-Fraktionen gleicher Größe volumetrisch ersetzt, um unterschiedliche Leime (CEM I-Partikelgrößen, w/z-Wert) herzustellen. Dabei entspricht der Wassergehalt der Leime dem Hohlraum zwischen den Partikeln. Die Art (Nanostruktur) und Dosierung des Fließmittels wird variiert.Neben der Fließfähigkeit (Minislump) der Leime wird die Frühhydratation detailliert untersucht: Zetapotential (elektroakustisch), chemische Zusammensetzung (inkl. TOC) der Porenlösung (Auspresslösungen), Verlauf der Hydratationswärme (Wärmefluss¬kal.) und die Bildung der Hydratationsprodukte (XRD). Nach längeren Hydratationszeiten werden Festigkeiten und Porengrößenverteilungen (Hg-Druck) ermittelt.Der Einfluss anderer Gesteine als Substrat für die CSH-Keimbildung in dichtgepackten Bindemittelsystemen wird vergleichend untersucht. Dazu dienen dichtgepackte Korngemische aus Quarz bzw. Aragonit, die analog zu Calcit hergestellt werden.Es ist zu erwarten, dass die Entwicklung des Gefüges auch vom verfügbaren Aluminiumgehalt der Bindemittelkomponenten abhängt, weil dadurch die chemische Reaktivität des Kalksteins beeinflusst wird. Um dies zu untersuchen, werden CEM I-Partikel z.T. durch Feinstflugasche ersetzt.Die experimentellen Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über Zusammenhänge zwischen der Granulometrie des Bindemittels (Bestandteile, Oberflächen, Partikelgrößen, Packung, Partikelabstand), der Porenlösung (Ionen, FM-Molekül), der Adsorption von Ionen und FM-Molekülen sowie deren Auswirkung auf Fließfähigkeit und den Verlauf der Gefügeentwicklung (Phasen, Porosität und Festigkeit).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen