Kontrolle der M-S-H Kristallisation für den Aufbau einer grünen Zukunft

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Cristina Ruiz Agudo, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422745647

Zement ist der meist verwendete Baustoff der Welt und einer der bedeutendsten technologischen Fortschritte der Menschheit. Jährlich werden fast vier Milliarden Tonnen Zement produziert. Die Herstellung verursacht erhebliche CO2-Emissionen (~7 % des globalen anthropogenen CO2) und stellt somit eine hohe Umweltbelastung dar. Aus diesem Grund liegt seit einigen Jahrzenten ein Forschungsfokus auf der Entwicklung von umweltverträglicheren Zementen. Eine der vielversprechendsten Strategien ist der teilweise Ersatz des konventionellen Portlandzements durch alternative low-CO2 Bindemittel. In diesem Zusammenhang haben Magnesium-Silikat-Hydrat-Bindemittel (M-S-H) große Beachtung erhalten. Reaktives MgO kann durch Brennen von Mg-Silikaten und Mg-Karbonaten oder durch moderate Methoden, wie die Herstellung aus Solen oder Meerwasser, realisiert werden. Die Nutzung dieser alternativen Strategien zur Gewinnung von MgO reduziert, im Gegensatz zur Portlandzementherstellung, die CO2-Emissionen erheblich. Dennoch weist M-S-H Zementleim große Nachteile gegenüber Portlandzement auf (z.B. hoher Wasserbedarf, lange Abbindezeiten und geringe Druckfestigkeiten). Um M-S-H als wettbewerbsfähiges Bindemittel zu etablieren, müssen diese Nachteile behoben werden. Zur Verbesserung der Eigenschaften, werden in der Zementindustrie häufig polymere Additive eingesetzt. Solche Additive, wie z.B. Polycarboxylatether (PCEs), verbessern die Fließfähigkeit von Zementleim und reduzieren den Wasserbedarf. Darüber hinaus haben PCEs den Vorteil, dass sie durch Variierung ihrer chemischen Struktur modifizierbar sind. Durch den Einsatz speziell entwickelter PCEs können möglicherweise Probleme, wie der hohe Wasserbedarf von M-S-H Bindemittel, gelöst werden. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist das Erlangen eines grundlegenden Verständnis der Kristallisation von M-S-H in An- und Abwesenheit von polymeren Additiven. Das Verständnis der M-S-H Nukleation und des Wachstums ermöglicht die Entwicklung eines neuartigen Bindemittels. Dieses Bindemittel kann die mechanischen Eigenschaften von Portlandzement, bei gleichzeitig geringerer Umweltbelastung, erreichen oder gar überschreiten. Zuerst wird die Bildung von reinem M-S-H untersucht, um die am Kristallisationsprozess aufzuklären. Danach wird der Einfluss verschiedener organischer Additive auf diese Stufen und somit auf die Kristallisation von M-S-H untersucht, um potenzielle Kandidaten für die Verbesserung der M-S-H-Eigenschaften zu identifizieren. Da PCEs aus meist komplexen Molekülstrukturen bestehen, ist die Aufklärung deren spezifischer Wechselwirkung mit prä- und postnuklearen M-S-H-Spezies anspruchsvoll. Daher wird zunächst der Einfluss von Monomeren und Homopolymeren ermittelt und evaluiert. Mit diesen Erkenntnissen können spezifische PCE-Strukturen designt, somit ein zielgerichteter Kristallisationsprozess entwickelt und schließlich die Eigenschaften von M-S-H-Bindemitteln maßgeblich verbessert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Schweiz, Spanien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Fulvio Di Lorenzo; Professor Dr. Carlos Rodriguez Navarro; Dr. Isabel Sanchez; Dr. Alexander Van Driessche