Untersuchungen zum Ersatz von Lithiumcarbonat als Beschleuniger für Calciumaluminatzemente sowie Aufklärung des zugrundeliegenden Wirkmechanismus
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projekts wurde der hydratationsbeschleunigende Effekt von Biopolymeren, insbesondere Alginat, untersucht. Die ungewöhnliche Fähigkeit von Alginat, das Abbinden von CAC zu beschleunigen,beruht auf der Bindung von Calcium-Ionen aus der Porenlösung, was in OPC üblicherweise der Wirkmechanismus von Verzögerern ist und nicht von Beschleunigern. In einem ersten Schritt wurden verschiedene Biopolymere unterschiedlichster Herkunft (natürlich, halb-synthetisch und mikrobiell) bezüglich ihres Effekts auf das Abbinden von CAC getestet. Ebenso wurde die Struktur des Alginats derivatisiert und die Auswirkungen auf die Wirksamkeit des Polymers getestet. Hierbei wurde festgestellt, dass zur Erzielung einer starken Beschleunigung das Polymer folgende Eigenschaften aufweisen muss: Eine hohe Molmasse, eine anionische Funktionalität und eine molekulare ‚Kavität‘, welche für eine starke Chelatisierung von Calcium verantwortlich ist. Nur wenn all diese Eigenschaften vorhanden sind, zeigt das Polymer die gewünschte Eigenschaft. Dieser beschleunigende Effekt zeigt sich in einer früheren Wärmefreisetzung (→ Abbinden) des Zements. Durch die vorzeitig einsetzende Reaktion kommt es zu einer erhöhten Frühfestigkeit im Mörtel. Die Wirksamkeit des Alginats kann mit der von Lithiumsalzen, welche aktuell als Beschleuniger für CAC eingesetzt werden und dringend für die Produktion von Batterien benötigt werden, in einem gewissen Konzentrationsbereich konkurrieren und dafür sorgen, dass Lithium in bestimmten Anwendungen reduziert werden kann. Die Untersuchung des Wirkmechanismus zeigte, dass in Gegenwart von Alginat die Hydratationsreaktion von CAC früher einsetzt und hierdurch die festigkeitsgebenden Reaktionsprodukte früherentstehen. Um die Kristallisation auf diese Art und Weise zu beeinflussen, fungiert das Biopolymer als heterogene Kristallisationsoberfläche für C-A-H-Phasen. Dies wird durch eine komplexe Interaktion mit den Ionen der Zementporenlösung bewerkstelligt: Anfangs bindet das Alginat Ca2+-Ionen, wodurch die negative Ladung der Carboxylat-Gruppen abgeschirmt wird, bis lokal eine partiell positive Ladung entsteht. Hierdurch kann nun das Aluminat-Ion [Al(OH)4]-mit Ca2+komplexieren, sodass beide Ionen entlang der Molekülkette / Polymeroberfläche angereichert und eine C-A-H-Phase vorstrukturiertwird. Dadurch wird die anfängliche Nukleation von C-A-H-Phasen und deren weiteres Kristallwachstum begünstigt. Im Rahmen dieses Projekts wurde abschließend der hydratationsbeschleunigende Effekt von feinen Füllstoffen untersucht. Dieser wurde bereits in einigen Publikationen erwähnt, aber ohne hier einen detaillierten Mechanismus zu untersuchen. Basierend auf den Erkenntnissen zum Wirkmechanismus des Alginats kamen wir zu dem Schluss, dass für diese Füllstoffe ebenfalls ein analoger Mechanismus vorliegt. Unter Zuhilfenahme von Füllstoffen konnten ebenfalls stark verbesserte Frühfestigkeiten erzielt werden, welche es ermöglichen, den Einsatz von Lithium-basierenden Beschleunigern zu reduzieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Biopolymers as Novel Accelerators for Alumina Cement, 20. ibausil, Bauhaus-Universität Weimar (Germany), 12. – 14. September2018,Tagungsband 1,p. 819 – 826
Engbert A., Dinkel M. & Plank J.
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Biopolymers As Novel Accelerators For Alumina Cement, European Coatings Show – Conference, 18. – 19.March 2019,Nuremberg (Germany), Presentation
Engbert A. & Plank J.
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The Unusual Behaviour of Specific Biopolymers as Accelerator in Alumina Cement, 15th International Congress on the Chemistry of Cement (ICCC), 16. – 20. September 2019,Prague (Czech Republic), Conference proceedings
Engbert A. & Plank J.
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Alginate als neue Beschleuniger für Aluminatzemente, Tagung der GDCh-Fachgruppe Bauchemie, Weimar (Germany), 18. – 20. September2017, GDCh Monographie 52,p. 53 – 58
Engbert A., Dinkel M. & Plank J.
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Identification of Specific Structural Motifs in Biopolymers That Effectively Accelerate Calcium Alumina Cement. Industrial & Engineering Chemistry Research, 59(26), 11930-11939.
Engbert, Alexander & Plank, Johann
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Impact of sand and filler materials on the hydration behavior of calcium aluminate cement. Journal of the American Ceramic Society, 104(2), 1067-1075.
Engbert, Alexander & Plank, Johann
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Templating effect of alginate and related biopolymers as hydration accelerators for calcium alumina cement - A mechanistic study. Materials & Design, 195, 109054.
Engbert, Alexander & Plank, Johann
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The effect of alginates on the hydration of calcium aluminate cement. Carbohydrate Polymers, 236, 116038.
Engbert, Alexander; Gruber, Stefanie & Plank, Johann
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Specific biopolymers as accelerator for alumina cement, 2020 International Conference on Calcium Aluminates, 18. – 20. July 2022, Cambridge (UK), Conference proceedings, p. 195 – 205
Engbert A. & Plank J.
