Wirksamkeit und Einfluss calcinierter Schichtsilikate während der frühen Zementhydratation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Baustoffindustrie steht vor der Herausforderung, den steigenden Bedarf an klinkerreduzierten Bindemitteln zu immer größeren Teilen mit leistungsfähigen Zementzumahl- bzw. Betonzusatzstoffen abdecken zu müssen. Die Verfügbarkeit etablierter Materialien, vorrangig Steinkohlenflugasche und Hüttensand, wird in Zukunft nicht ausreichen und erfordert Lösungsansätze für global verfügbare, ökologisch und ökonomisch interessante, alternative Stoffe. Ein entsprechend großes Potenzial wird calcinierten Tonen und dabei insbesondere Tongemischen zugesprochen. Diese werden zukünftig eine wichtige Ressource der Baustoffindustrie sein und erfordern für den Einsatz als Bindemittel aufgrund ihrer komplexen Zusammensetzung ein grundlegendes wissenschaftliches Verständnis. Im Forschungsvorhaben wurden daher Grundlagen zur Wirkungsweise von vier verschiedenen calcinierten Schichtsilikaten, welche als Hauptträger in Tonen vorkommen können, und ihrer Interaktion mit den Zementklinkerphasen in der frühen Phase der Zementerhärtung herausgearbeitet. Die Forschungsergebnisse zeigen die divergierende Wirksamkeit der untersuchten calcinierten Schichtsilikate Metakaolin (MK), Metaillit (MI), Metasmektit (MS) und Metamuskovit (MM). Metakaolin kann durch einen frühen puzzolanen Reaktionsbeitrag deutlich zu einem eigenständigen Festigkeitsbeitrag führen, jedoch wird die C3S-Reaktion des Zementes signifikant gebremst. Hingegen ist bei Metamuskovit zwar keine puzzolane Reaktivität festzustellen, aber der Hydratationsgrad von Alit liegt im untersuchten Reaktionszeitraum deutlich über dem der Vergleichssysteme. Bei Einsatz von Metaillit zeigt sich bereits in den ersten 50 Stunden ein puzzolaner Reaktionsbeitrag, welcher bei ca. 30 % der Reaktivität von Metakaolinen liegt. Dabei wird jedoch die Reaktivität der Hauptklinkerphasen im Zement weniger stark beeinflusst. Metasmektite sind in der frühen Hydratation eher träge und leisten einen eigenständigen puzzolanen Beitrag erst nach 2 Tagen. Die Zementhydratation wird vergleichbar mit Metaillit nur geringfügig verzögert. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass auch weniger reaktive Schichtsilikate im zementären Bindemittelsystem eine gute Leistungsfähigkeit erbringen und bestätigen darüber hinaus die vielversprechende Eignung von natürlich vorkommenden Tongemischen mit moderater Reaktivität. Calcinierte Tone können somit in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung gezielt für verschiedene Anwendungsfelder der Betontechnologie eingesetzt werden. Die Erkenntnisse der Forschungsarbeit legen damit einen wichtigen Grundstein für den Einsatz calcinierter Tone in Kompositzementen oder als Betonzusatzstoff.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Methodological investigations on quantifications of in situ X-ray diffraction for a reliable characterization of the reaction kinetics of calcined clays during early hydration. (2021), Universität der Bundeswehr München: Neubiberg, Germany. p. 105.
S. Scherb
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Reaction kinetics during early hydration of calcined phyllosilicates in clinker-free model systems. Cement and Concrete Research, 143, 106382.
Scherb, Sebastian; Maier, Matthias; Beuntner, Nancy; Thienel, Karl-Christian & Neubauer, Jürgen
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Reaction kinetics of calcined phyllosilicates in synthetic cement systems, in International Conference on Calcined Clays for Sustainable Concrete, M. Sharma, H. Hafez, F. Zunino, and K. Scrivener, Editors. (2022): Lausanne, Switzerland. p. 66-67.
S. Scherb; M. Maier; M. Köberl; N. Beuntner & K.-C. Thienel
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Das Potenzial calcinierter Tone – Inwiefern hilft uns die Tonmineralogie, die Eigenschaften als Betonzusatzstoff Typ II zu prognostizieren und zu steuern? Vortrag auf der 21. Internationale Baustofftagung ibausil, 13.-15. September 2023 in Weimar
N. Beuntner; S. Scherb; M. Panzer & K.-C. Thienel
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Reaction Kinetics During Early Hydration of Calcined Phyllosilicates in Model Cement Systems. Elsevier BV.
Scherb, Sebastian; Maier, Matthias; Mathias, Köberl; Beuntner, Nancy & Thienel, Karl-Christian
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Sulfate consumption during the hydration of Alite and its influence by SCMs, Vortrag auf der 21. Internationale Baustofftagung ibausil, 13.-15. September 2023 in Weimar
M. Maier; S. Scherb & K.-C. Thienel
