Carbonation of cementitious building materials with CO2 at elevated pressure or in the supercritical state
Final Report Abstract
In der zweiten Förderungsperiode wurden einige noch offene Fragen zur Entwicklung von Phasen, Festigkeit und Volumen während und nach der Beaufschlagung von Zementstein- und Mörtelproben mit überkritischem bzw. gasförmigen CO2 behandelt. Dabei standen die Feinheit und die chemische und die mineralogische Zusammensetzung des verwendeten Portlandzements im Vordergrund der Untersuchungen. Weiterhin sollte geklärt werden, wie sich die Biegezugfestigkeit von carbonatisierten Leichtmörteln mit Glasfasern verbessern lässt. Hier sollte insbesondere auch die Kontaktzone zwischen den Glasfasern und der Zementsteinmatrix untersucht werden, um den Einfluss der Carbonatisierung auf das Verbundverhalten klären zu können. Folgende Schlussfolgerungen sind aus den Untersuchungen zu ziehen: Mit zunehmender Zementsteinfeuchte und abnehmender Porosität nimmt die Carbonatisierungsgeschwindigkeit deutlich ab. Eine höhere Zementfeinheit (höhere Festigkeitsklasse) führt zu einem höheren Hydratationsgrad des Zementes während der Vorlagerung und damit zu einer geringeren Porosität des Zementsteins, was sich negativ auf die erzielbare Carbonatisierungstiefe bei gegebenen Behandlungsbedingungen auswirkt. Durch die CO2-Behandlung konnten die Druckfestigkeit bei Mörtelproben auf bis zu ca. 270 % gesteigert werden. Die Druckfestigkeiten nahmen mit zunehmendem CO2-Behandlungsdruck und zunehmender Dauer zu. Die Lagerung von carbonatisierten Proben in Wasser bei 20 °C oder an der Luft bei 20 °C und 65 % r.F., führte aufgrund der Hydratation von Klinkermineralrelikten, zu einer weiteren Zunahme der Druck- und Biegezugfestigkeiten. Die mit scCO2 behandelten und anschließend bei 20 °C und 65 % r.F. gelagerten Proben mit Z1 erreichten im Alter von 28 d eine fast doppelt so hohe Druckfestigkeit wie die 28 d-Normfestigkeit. Niedrigere C3A- und Alkaligehalte zeigten einen positiven Einfluss auf die Festigkeitssteigerung während der Carbonatisierung. Eine höhere Festigkeitsklasse des verwendeten Zementes beeinflusste, aufgrund des dichteren Gefüges, den chemischen Umsatz und damit den Festigkeitszuwachs während der Carbonatisierung negativ. Die Biegezugfestigkeit von Mörtelproben mit Zementen der Festigkeitsklasse 32,5 wurde durch die Carbonatisierung nur geringfügig beeinflusst. Eine Ausnahme war der C3A-arme Portlandzement Z4, bei dem ein deutlicher Zuwachs erfolgte. Der Austausch des Quarzsandes durch Kalksteinbrechsand in den Mörtelproben verbesserte die Biegezugfestigkeiten nach der Carbonatisierung deutlich. Die Carbonatisierung der Proben mit Portlandzement CEM I 52,5 R (Z1B) verursachte eine deutliche Abnahme der Biegezugfestigkeiten. Während der Carbonatisierung zeigten die Proben ein geringes Quellen, das mit zunehmender Behandlungsintensität (Druck und Dauer) zunahm. Die Längenzunahme resultiert aus dem Zusammenspiel von der Zunahme der Volumen der festen Phasen, z.B. durch Bildung von CaCO3 aus Portlandit, und der Aufnahme von dem durch die Carbonatisierungsreaktion freigesetztem Wasser, dass sich in die Zwischenräume des Silikagels bzw. in die carbonatisierten CSH-Phasen einlagert und zum Quellen führt. Die Mörtelproben des C3A-armen Zements Z4 dehnten sich weniger als die Proben mit anderen Zementen. Die Zementzusammensetzung beeinflusste die Gesamtporosität der Referenzproben nur geringfügig. Mit zunehmender Festigkeitsklasse der Zemente nahm die Porosität der Referenzproben erwartungsgemäß ab. Die Behandlung mit überkritischem oder gasförmigen CO2 führte zu einer deutlichen Reduzierung der Porosität und einer Zunahme des Anteils an Gelporen (< 20 nm). Die Lagerung der carbonatisierten Proben in Wasser führte aufgrund einer weiteren Hydratation von Restklinker zu einer Reduzierung des Anteils der größeren Kapillarporen (> 40 µm). Durch die Carbonatisierung veränderte sich die Mineralphasenzusammensetzung des Zementsteins jeweils deutlich. Der Gehalt an C-S-H-Phasen (röntgenamorpher Anteil) nahm ab, die Hydratphase Ettringit wurde nicht mehr identifiziert. Die Gehalte an unreagierten Calciumsilikaten β-C2S und C3S nahmen ebenfalls deutlich ab. Im C3A-reichen Zement Z3 wurden noch Reste an unreagiertem C3A festgestellt. Als Neubildungen wurden Silikagel und Calciumcarbonat, zusammengesetzt aus den drei Modifikationen Calcit, Aragonit und Vaterit, festgestellt. Die Gehalte an Carbonatphasen waren in allen in scCO2 behandelten Proben wie folgt verteilt: Calcit > Vaterit > Aragonit. Das Aluminium aus den Aluminatphasen wurde in die entstandene Silikagel-Struktur eingebaut. Während einer an die Carbonatisierung anschliessenden Wasserlagerung erfolgte eine weitere Hydratation von Klinkerrelikten bzw. eine puzzolanische Reaktion zwischen Portlandit und Silikagel unter Bildung von C-S-H-Phasen. Dabei blieben die metastabilen Ca- CO3-Phasen Vaterit und Aragonit in dem bisherigen Beobachtungszeitraum von 180 d stabil. Die Ergebnisse thermodynamischer Berechnungen haben gezeigt, dass bei einer Erhöhung der Alkalikonzentration eine größere Menge von Carbonat in der Porenlösung aufgenommen werden kann, bevor eine Calcitfällung eintritt. Der pH-Wert nimmt mit zunehmendem Alkaligehalt zu und die Konzentration der Kohlensäure ab, was auf eine mögliche Verzögerung der Carbonatisierungsreaktion hinweist. Die Carbonatisierung von mit Glasfaser bewehrten Leichtmörteln führte zu einer Zunahme der Biegezug- und Druckfestigkeiten. Die Werte für die Biegezugfestigkeiten übertrafen in den meisten Fällen sogar die der 28 d-alten Referenzproben. Diese Festigkeitszunahme ist auf die durch die Bildung von CaCO3-Phasen entstandene Verdichtung des Gefüges in der Kontaktzone Zementstein-Glasfaser zurückzuführen.
Publications
- Carbonatisierung von Zementstein mit CO2 im überkritischen Zustand. 18. Internationale Baustofftagung, ibausil, F. A. Finger- Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, 12. - 15. September 2012. In: Tagungsbericht, Ludwig, H.-M., F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde (Hrsg.) Band 2, 2012, S. 2-0427 - 2-0434
Leno, V., Urbonas, L.; Heinz, D.
- Modifizierung zementgebundener Baustoffe durch gezielte Carbonatisierung; 19. Internationale Baustofftagung, ibausil, F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus Universität Weimar, 16. - 18. September 2015. In: Tagungsband, Ludwig, H.-M., F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde (Hrsg.) Band 1, 2015, S. 141 – 152
Heinz, D., Urbonas, L.
- Effect of carbonation in supercritical CO2 on the properties of hardened cement paste of different alkalinity. Construction and Building Materials, Volume 123, 1 October 2016, Pages 704-711
Urbonas, L., Leno, V., Heinz, D.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.07.040) - Modification of Cementitious Materials by CO2 Treatment. The 7th International Conference on Silicate Materials "BaltSilica 2016", Kaunas, May 2016
Heinz, D., Urbonas, L.
