Die ambivalente Rolle von Aluminium im Beton: Gehemmte Silikatauflösung vs. AKR Vorbeugung

• Antragstellerin: Dr. Elisabeth John
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574103344

Als drittgrößter Verursacher globaler CO₂-Emissionen ist die Zementindustrie ein bedeutender Faktor für den Klimawandel. Angesichts des anhaltenden Wachstums des Bausektors ist es unabdingbar geworden, nachhaltige Lösungen zur Reduzierung dieser Emissionen zu finden. Innovationen wie CO₂-arme Bindemittel, Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung sowie energetisch optimierte Produktionsprozesse sind zur Minderung dieser Emissionen unverzichtbar. Die direkteste und effizienteste Strategie zur Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks von Zement ist jedoch der teilweise Ersatz des Klinkers durch Zusatzstoffe (supplementary cementitious materials – SCMs). Die Einführung von SCMs verringert jedoch nicht nur die Festigkeitsentwicklung von Kompositzementen, sondern verkompliziert das ohnehin schon komplexe Zementreaktionssystem noch weiter. Zusätzliches Aluminium, das durch SCMs eingeführt wird, hat einen besonders interessanten, ambivalenten Einfluss. Es erweist sich als vorteilhaft bei der Minderung von Schäden, die durch Alkali-Kieselsäure-Reaktionen (AKR) verursacht werden, während es gleichzeitig die Hydratationskinetik des ursprünglichen Zements nachteilig beeinflusst und so seine Reaktivität verringert. Für beide Reaktionen wurden in der Literatur Theorien aufgestellt, die entweder eine veränderte Produktbildung oder Veränderungen der sich lösenden Oberfläche als Ursache sehen. Der Einfluss von Aluminium auf die Lebensdauer von Beton ist noch nicht geklärt, mehrere Studien deuten jedoch auf eine bedeutende Rolle von Oberflächeninteraktionen und die Rolle von Fremdionen wie Sulfat und Calcium hin. Die Beeinflussung der Zementhydration durch synthetisches Calciumsilikathydrat (C-S-H) hat sich als wertvolle Methode erwiesen, um Hypothesen zum Mechanismus der Zementhydratation zu untersuchen. C-S-H-Kristalle bieten zusätzliche Oberflächen für die Produktbildung an und können die Porenlösung von hydratisierendem Zement kann lokal verändert werden. So könnten C-S-H-Kristalle in der Lage sein, den negativen Früheffekt von Aluminium auszugleichen, während der vorteilhafte Langzeiteffekt erhalten bleibt. In diesem Projekt wollen wir die Wechselwirkung von Aluminium mit Silikatoberflächen unter verschiedenen relevanten Bedingungen mit oberflächenanalytischen Methoden eingehend untersuchen. Zudem soll bewertet werden, inwieweit C-S-H-Kristalle in dieses Reaktionssystem eingreifen können. Durch bewusst eingeführte zusätzliche Oberflächen werden Hypothesen über eine Änderung der Produktbildung geprüft. Abschließend soll gezeigt werden, ob es möglich ist, den anfänglichen Nachteil von Aluminiumionen in Kompositzementen zu verringern und gleichzeitig den langfristigen Vorteil zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen