Hightech-Analyse für bahnbrechenden Betonbinder
Nach Wasser ist Beton, dem Zement als Bindemittel zugesetzt wird, der häufigste Baustoff weltweit und aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Seine Herstellung ist jedoch höchst energie- und ressourcenaufwändig und generiert bis zu 8 %(öffnet in neuem Fenster) aller Emissionen weltweit. Unterstützt durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen entwickelte das Projekt GeoDust(öffnet in neuem Fenster) ein neues Herstellungsverfahren für Beton, bei dem ein Abfallprodukt der Zementherstellung verwendet wird, was den Bedarf an Zement, aber auch die Emissionsbelastung bei der Produktion verringert.
Staub aus Zementöfen als Alkaliaktivator für innovativen Betonbinder
Zur Herstellung des weltweit meistgenutzten Portlandzements muss das Rohmaterial auf mehr als 1 400 °C erhitzt werden. Ein Teil der Ofengase wird über einen Bypass abgeführt, um den Ofen zu schonen und die Produktqualität zu verbessern. Das Nebenprodukt, das nach dem Abkühlen zurückbleibt, ist so genannter Zementofen- und Bypass-Staub (cement kiln bypass dust, CBPD). CBPD enthält Alkalimetalle, insbesondere Kaliumchlorid, das als „Aktivator“ für alkaliaktivierte Materialien in Frage kommt. Diese Geopolymere kommen bereits zur Verwendung. Am Einsatz dieser häufigen industriellen Nebenprodukte (Vorstufen) als Zusatzstoff eines zementähnlichen Materials wird seit Jahrzehnten intensiv geforscht. Da jedoch immer neue Vorläufer, Aktivatoren, Mischverhältnisse und Aushärtebedingungen verwendet werden, variieren die resultierenden Produkteigenschaften und sind kaum überschaubar.
Charakterisierung von CBPD als Betonzusatz: Einfluss der Mikrostruktur auf makroskopische Eigenschaften
Die Projektgruppe untersuchte mit hochtechnologischen Verfahren die komplexe Zusammensetzung von CBPD und konnte im Rasterelektronenmikroskop bereits Partikelgröße, Form und chemische Zusammensetzung (Farbcodierung entsprechend des chemischen Elements) analysieren. Da sich die Zusammensetzung von CBPD aber selbst innerhalb der gleichen Zementfabrik jeden Tag verändert, sind auch die Eigenschaften des Bindemittels höchst unterschiedlich. Um herauszufinden, inwieweit sich CBPD eignet, die starke Schrumpfung alkaliaktivierter Materialien zu minimieren, untersuchte die Arbeitsgruppe den Staub nun genauer. Überraschend war dabei die Erkenntnis, wie stark sich durch den CBPD-Anteil und unterschiedliche Aushärtebedingungen das Volumen verändert. Mitunter wurde der Beton durch die enorme Ausdehnung sogar zerstört. „Im Rahmen von GeoDust wurde geklärt, wie CBPD in alkaliaktivierten Schlacke-Bindern(öffnet in neuem Fenster) wirkt. Wir enthüllten spezifische Phänomene, angefangen bei chemischen Reaktionen und Mikrostrukturen bis hin zum makroskopischen Verhalten des produzierten Betons“, erklärt Vlastimil Bílek, Projektkoordinator an der Technischen Universität Brünn(öffnet in neuem Fenster), Tschechische Republik. Das Ergebnis war ein durchaus robustes Bindemittel. GeoDust veröffentlichte einen Forschungsbeitrag zum vorteilhaften Effekt von CBPD auf die alkalische Aktivierung und die Schrumpfminderung bei alkaliaktivierten Bindemitteln. Zudem erschienen Beiträge zur Herstellung alkaliaktivierter Bindemittel aus vollständig recyceltem Material sowie zur hervorragenden Haltbarkeit von alkaliaktiviertem Beton, dem CBPD beigemischt wurde.
Nachhaltige Zukunft für Betonbindemittel
Wie Bílek zusammenfasst, „sind anorganische Bindemittel in der öffentlichen Wahrnehmung zwar noch nicht so etabliert wie Nanotechnologie und Biomedizin, doch in Alltag und Umwelt allgegenwärtig, obwohl sie noch schwer charakterisierbar sind. Unser Projekt lieferte wichtige Erkenntnisse für eine nachhaltigere Zukunft von Beton.“ Bílek war zu Beginn des Projekts Doktorand, schloss im Rahmen dieses ersten Forschungsprojekts seine Promotion ab und ist nun dessen Forschungsleiter. Neben technischen und ökologischen Vorteilen förderte GeoDust auch die Ausbildung Nachwuchsforschender wie Bílek sowie die globale Wettbewerbsfähigkeit europäischer Hochschulen und Unternehmen.
Schlüsselbegriffe
GeoDust, Beton, Bindemittel, Zement, CBPD, alkaliaktiviert, Zementofen- und Bypass-Staub, Rasterelektronenmikroskopie, Schlacke