Olivin-basierte Zemente – Grundlagenuntersuchungen für ein CO2-neutrales Bindemittel

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Frank Bellmann; Professor Dr. Jürgen Neubauer
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519379450

Es ist allgemein bekannt, dass die Herstellung von Zementen durch die Verwendung von Kalkstein und den Einsatz thermischer Energie zu hohen CO2-Emissionen führt. In Voruntersuchungen wurde ein neuartiges Bindemittel entwickelt, bei dessen Herstellung kein Kalkstein verwendet wird und kein Brennprozess erforderlich ist und somit keine CO2-Emissionen auftreten. Die Herstellung erfolgt durch eine Mahlung olivinhaltiger Gesteine ohne weitere Prozessschritte. Allerdings ist die Hydratation relativ langsam und muss durch eine Warmbehandlung und die Zugabe von Puzzolanen beschleunigt werden. Demzufolge ist der Herstellungsprozess für das Bindemittel einfacher und bedeutend umweltfreundlicher, erfordert mit der Warmbehandlung aber einen höheren Aufwand bei der Betonverarbeitung im Vergleich zu konventionellen Zementen. Olivinbasierte Bindemittel erreichen Festigkeiten bis 60 MPa und liegen somit im Bereich üblicher Mörteldruckfestigkeiten. Die Entwicklung dieser Bindemittel soll mit dem vorliegenden Antrag auf eine wissenschaftliche Grundlage gestellt werden. Dazu werden drei Punkte untersucht: Exakte Beschreibung des Hydratationsvorgangs, Nachweis des kritischen kinetischen Schrittes und eine mögliche Karbonatisierung. (1) Die Beschreibung des Hydratationsvorganges beinhaltet Identifikation und Charakterisierung der Hydratationsprodukte in Abhängigkeit von Bindemittelzusammensetzung und äußeren Bedingungen. Mit diesen Informationen lässt sich eine chemische Gleichung aufstellen und der Umsatzgrad als Funktion von Zeit, Temperatur und Zusammensetzung beschreiben. Neben dem Umsatzgrad soll die Porenlösung während der Hydratation analysiert werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Hydratationsuntersuchungen ist die Analyse der Mikrostruktur und die Bestimmung der spezifischen Oberflächen. Diese phänomenologischen Informationen zum Hydratationsverlauf sollen in Schwerpunkt (2) zur Identifikation des kritischen kinetischen Schrittes verwendet werden. Dazu werden Auflösungsraten der Ausgangsstoffe und Fällungsraten der Reaktionsprodukte als Funktion der Lösungszusammensetzung bestimmt. Mit Hilfe der im ersten Schwerpunkt erhaltenen Daten zur Entwicklung von Porenlösung und spezifischen Oberflächen während der Hydratation kann ausgesagt werden, ob die Hydratationsgeschwindigkeit von der Auflösungsgeschwindigkeit der Ausgangsstoffe, von der Fällungsgeschwindigkeit der Reaktionsprodukte oder von Transportmechanismen in der Mikrostruktur abhängt. Dies erlaubt die Identifikation von möglichen Beschleunigungsmechanismen für die Bindemittel. Im Rahmen von Schwerpunkt (3) sollen Karbonatisierungsuntersuchungen durchgeführt werden. Damit kann festgestellt werden, ob olivinbasierte Zementsteine Kohlendioxid binden können. Dies würde die Transformation einer CO2-emmittierenden in eine CO2-aufnehmende Industrie erlauben, da bei der Bindemittelherstellung kein Kohlendioxid entsteht. Die Bindemittelindustrie könnte so bereits freigesetztes CO2 aus den Kreisläufen entfernen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen