Optimierung der Klinkerschmelze für eine nachhaltige Zementproduktion

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Matthias Böhm; Dr. Christiane Rößler
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575010888

Die Herstellung von Portlandzementklinker, wird seit zwei Jahrhunderten optimiert, das Ergebnis ist eine hohe Produktqualität bei gleichzeitiger Minimierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen. Für eine vollständige Dekarbonisierung konzentriert sich die europäische Zementindustrie auf Verfahren zur CO2- Sequestrierung, -speicherung und -nutzung. Da diese Prozesse sehr kosten- und flächenintensiv sind, sollten zuerst die mit der Zementherstellung verbundenen CO2-Emissionen minimiert werden. Das Projekt zielt darauf ab, den Einfluss von Neben- und Spurenelementen auf die Bildung der Klinkerschmelze zu untersuchen. Vorangegangene Arbeiten haben gezeigt, dass optimierte Klinkerschmelze genutzt werden kann, um die Temperatur der Alitbildung zu senken und die Reaktivität von Zementen zu erhöhen. Beide Aspekte verbessern die Nachhaltigkeit. Insbesondere hochreaktive Portlandzementklinker ermöglichen einen hohen Anteil an CO2-armen Kompositmaterialien, ohne die Eigenschaften der Betone zu beeinträchtigen. Das Projekt wird vor allem das Verständnis der Eigenschaften von Klinkerschmelze und ihrer Auswirkungen auf die Phasenzusammensetzung und Reaktivität verbessern. Um dies zu erreichen, werden modernste Methoden zur Charakterisierung angewendet. In WP1 wird die Klinkerschmelze, die aus C3A und C4AF besteht, systematisch variiert, indem das A/F-Verhältnis optimiert und Dotierstoffe hinzugefügt werden. Dabei werden Temperatur, Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze bestimmt. Die optimierten Schmelzen (OptiMelt) sind solche mit niedriger Bildungstemperatur und mittlerer Viskosität. Mehrere dieser Schmelzen werden dann in WP 2 zur Herstellung von Klinkern mit niedrigeren Brenntemperaturen, aber hoher Reaktivität (hoher Alitgehalt) verwendet. In WP 3 werden die OptiMelt-Klinker in Kombination mit relevanten Kompositmaterialien wie kalzinierten Tonen und recyceltem Feinbeton getestet. Dieser Ansatz wird es uns ermöglichen, das Potenzial der Schmelzoptimierung für eine nachhaltige Klinkerproduktion zu untersuchen. Im Rahmen der Forschungsarbeiten werden mehrere Techniken eingesetzt, darunter Hochtemperatur (HT) XRD, RFA, HT-Mikroskopie, HT-Rheometrie und thermodynamische Modellierung. Dies erlaubt eine systematische Untersuchung der Auswirkungen von Dotierstoffen und des A/F-Verhältnisses auf die Klinkerphasenbildung. Die Zusammenarbeit mit Experten wie Alexander Pisch und Marcus Bannermann ermöglicht thermodynamische Modellierung und Verbesserung der Datenbanken. Der Einbau von Dotierstoffen und die Mikrostruktur der Klinker wird mit Hilfe von korrelierter optischer Lichtmikroskopie, SEM-EBSD-EDX und µXRF-Analyse untersucht. Die Reaktivität wird mit Hydratations- und Festigkeitstests evaluiert. Schließlich wird die Kooperation den Wissensaustausch fördern und modernste Charakterisierungstechniken ermöglichen. Die teilnehmenden Doktorand*innen werden von den erfahrenen Forschenden und der optimalen Ausrüstung der Partner profitieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Dr. Martin Bohac