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Abteilung Technische Mineralogie

 

Themen der Arbeitsgruppe Baustoffe

  • Neue hydraulische Bindemittel
  • Verwitterung von Baustoffen/Selektive Färbung von Mineralphasen
  • Strukturverständnis von Silikaten durch Synthese und Festkörperanalytik

 

Aktuelle Publikationen der Arbeitsgruppe Baustoffe

 

 

Neue hydraulische Bindemittel

Die Zementherstellung hatte weltweit im Jahr 2005 einen thermischen Energiebedarf von etwa 6 bis 12 Mrd. GJ und dabei einen Kohlendioxid-Ausstoß von 1,4 bis 2,6 Mrd. t. Damit verursacht der Zementprozess weltweit etwa 4 bis 6% der Kohlendioxidemission. Dafür ist nicht nur der erhebliche Energieaufwand zum Brennen des Zementklinkers sondern auch die rohstoffseitige Kohlendioxidemission aus Calciumcarbonaten verantwortlich. Die folgende Abbildung zeigt die Stoffstrombilanz der Zementherstellung für den in Westeuropa üblichen Stand der Technik.

Die in Westeuropa (und den USA, Japan etc.) gültige technologische Referenz "Best Available Technology" wird in den so genannten entwickelten Ländern in hohem Maße angewandt, so daß hier kaum noch Potential für erhebliche Verbesserungen besteht. Dies gilt nicht für veraltete Verfahren in anderen Ländern.
Einsparungen in der Kohlendioxidemission im Baustoffbereich in Industrieländer sind nur durch neue Technologien und damit alternative Bindemittel möglich, die sich durch niedrigere Calciumgehalte und/oder niedrigere Herstellungs­­­temperaturen auszeichnen. So ist ein zügig abbindender Belitzement (unser Patent DE 10 2005 037 771: "Verfahren zur Herstellung eines Belit-Bindemittels") ein Schritt in diese Richtung.

 

Verwitterung von Baustoffen/Selektive Färbung von Mineralphasen

Die Verwitterung von Baustoffen ist eine alltägliche chemisch-physikalische Reaktion, die bis hin zum Verlust der mechanischen Belastbarkeit führen kann. Nicht nur bekannte Schadgase wie Schwefeloxide sondern schon Kohlensäure aus Feuchtigkeit und Kohlendioxid der Luft führen zum Abbau der bindenden Zementmatrix in Betonen.
In der Arbeitsgruppe Baustoffe wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem die verschiedenen Calciumphasen in Baustoffen selektiv farbmarkiert werden und so die Verwitterungsfront in einem Werkstückquerschnitt sichtbar wird – siehe folgende Abbildung.

Das dieser selektiven Färbung zugrunde liegende Verfahren wurde zum Patent angemeldet: DE 10 2004 061 066. Im Gegensatz zur Verwendung eines pH-Indikators werden die beteiligten Mineral­phasen direkt sichtbar und auch für Recyclingprozesse kann die Reinheit von Zuschlägen durch Färbung noch anhaftender Bindemittel beurteilt und quantifiziert werden. Schließlich kann das Wasser zu Zement-Verhältnis, der w/z-Wert, des eingesetzten Binders ermittelt werden.

 

Strukturverständnis von Silikaten durch Synthese und Festkörperanalytik

Silikate und insbesondere Calcium-Silikate sind die Hauptbestandteile von Zementen, genauer Zementklinkern. Sie reagieren mit Wasser in einer hydraulischen Reaktion zu einer festen und wasserunlöslichen Bindemittelmatrix. Diese besteht aus Calcium-Silikat-Hydraten, in der "Zementsprache" C-S-H-Phasen. Das folgende Bild aus dem Rasterelektronen­mikroskop "ESEM" zeigt ein Beispiel solcher C-S-H-Phasen.

Im Bereich der zementären Baustoffe wird die Untersuchung bzw. das Verständnis der Materialien und  Reaktionen durch die schlecht geordneten C-S-H-Phasen erschwert. Die Synthese von kristallinen Modellphasen, z.B. durch Hydrothermal­synthesen in Autoklaven, und die vergleichende Untersuchung von Modell- und Realphasen mit modernen Methoden der können hier neue Einsichten gewonnen werden.
Die Pulver-Röntgendiffraktometrie in verschiedenen Varianten ist der Standardzugang zur Kristall­struktur; mit geeigneten Präparations- und Aufnahmebedingungen sowie eingehender Kenntnis der Kristallstrukturen sind mittels Rietveld-Analyse quantitative Zusammensetzungen von Mischungen bestimmbar. Wird die Röntgendiffraktometrie mit Synchrotronstrahlung betrieben oder werden Heiz- und Feuchtekammern eingesetzt, ist eine höhere Genauigkeit oder Messgeschwindigkeit erreichbar, die Bildung von Artekfakten wird vermieden bzw. es können Reaktionen studiert werden.
Die Mikroskopie –  optische Polarisationsmikroskopie mit digitaler Bildauswertung und Raster­elektronen­mikroskopie unter Wasserdampfatmosphäre: ESEM – liefern Informationen zu Phasen und ihren Morphologien sowie zum Gefüge.
Verschiedene spektroskopische Methoden, IR-, Raman- und NMR-Spektroskopie, ergänzen die bisher genannten Verfahren und helfen besonders bei schlecht kristallinen, semi-amorphen oder auch amorphen Phasen zur Phasenbestimmung, zur Identifikation funktioneller, reaktiver Gruppen und zur Ableitung von Reaktionsmechanismen.