Bestimmung der Auflösungsgeschwindigkeit zementärer Phase durh Infrarotspektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Torben Gädt
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579558866

Die chemische Reaktion von Portlandzement mit Wasser zur Bildung hydratisierter Zementphasen ist für die mechanische Festigkeit von Beton verantwortlich. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion ist sowohl für die Verarbeitung und den Einbau von Frischbeton als auch für die technischen Eigenschaften des ausgehärteten Betons von entscheidender Bedeutung. Das Verständnis des Mechanismus der Zementhydratation ist jedoch noch unvollständig. Die Geschwindigkeit des ersten Schritts der Zementhydratation, d. h. des Auflösungsprozesses stand in den letzten Jahren im Mittelpunkt der Forschung. Leider weisen aktuell verwendete Methoden erhebliche Nachteile auf. Sie basieren entweder auf teuren und selten verfügbaren Instrumenten wie der digitalen Holographie oder der vertikalen Scanning-Interferometrie oder weisen im Falle einfacher Batch-Auflösungsexperimente sich zeitlich verändernde Übersättigungsbedingungen und Probleme bei der zuverlässigen Quantifizierung aufgrund der oft sehr geringen Ionenkonzentrationen auf. In diesem Projekt soll eine Infrarotspektroskopie-Methode zur Messung der Auflösungsgeschwindigkeit entwickelt werden. Das Hauptziel des Projekts ist dabei die Kopplung einer Durchflusszelle mit einem Standard-Infrarotspektroskopiegerät (IR). IR-Spektrometer sind relativ kostengünstig, in vielen Labors weit verbreitet und äußerst robust im Betrieb. Darüber hinaus ermöglicht eine Durchflusszelle die Verwendung von Lösungen mit konstanten Ionenkonzentrationen, was systematische Variationen der Sättigung der wässrigen Lösung ermöglicht. Darüber hinaus werden wir die Auflösungsraten von zementartigen Phasen bei verschiedenen Lösungsbedingungen systematisch bestimmen. Diese Daten werden zur Validierung der neuen Methode verwendet, indem wir unsere Ergebnisse mit literaturbekannten Auflösungsgeschwindigkeiten vergleichen. Darüber hinaus ermöglicht die neue Methode einen hohen experimentellen Durchsatz, welchen wir nutzen werden, um die verfügbare Datenbasis zu Auflösungsgeschwindigkeiten stark zu vergrößern. Beispielsweise soll der Einfluss von extrinsischen Ionen auf die Auflösungsrate der wichtigsten Zementphasen systematisch untersucht werden. Schließlich wird sich das Projekt auf die Struktur-Aktivitäts-Beziehung von Fließmitteln und deren Wirkung auf die Hemmung der Auflösungsgeschwindigkeiten von Tricalciumsilikat (C3S) und Tricalciumaluminat fokussieren. Fließmittel sind unverzichtbare Polymere in modernem Beton, die eine Wasserreduzierung sowie eine Verringerung des Zementanteils, der Kosten und der CO2-Emissionen des Betons ermöglichen. Diese Polymere, die in erster Linie als Dispergiermittel wirken, haben jedoch auch eine Nebenwirkung. Sie verzögern die Hydratationsgeschwindigkeit von Zement. Dieser empirische Befund wurde teilweise auf ihren hemmenden Einfluss auf die Auflösungsgeschwindigkeit von C3S zurückgeführt. Wir werden eine Bibliothek von Polymeren synthetisieren und deren Einfluss auf die Auflösungsrate untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen