Untersuchungen zum Ersatz von Lithiumcarbonat als Beschleuniger für Calciumaluminatzemente sowie Aufklärung des zugrundeliegenden Wirkmechanismus

• Antragsteller: Professor Dr. Johann Plank
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429917653

Für die Beschleunigung von Aluminatzementen und ternären Bindemittelsystemen werden jährlich mehr als tausend Tonnen Lithiumsalze aus dem Wertstoffkreislauf entnommen und unwiederbringlich z.B. in Fußböden einzementiert. Allerdings wird für die Produktion von Elektroautos dieses wertvolle Element in großen Mengen benötigt, was für die bauchemische Industrie zu einem hohen Preis und schlechterer Verfügbarkeit führt. Vor diesem Hintergrund ist es äußerst wünschenswert, eine Alternative für Lithium in der Bauchemie zu finden. Überraschend wurde nun bei früheren Untersuchungen am Lehrstuhl für Bauchemie zur Interkalation von fermentativ hergestellten und natürlichen Biopolymeren in Zn-Al-LDHs festgestellt, dass zufällig ausgewählte Alginate die Hydratation von Aluminatzementen beschleunigen. Dies war insofern völlig unerwartet als bekannt ist, dass derartige Biopolymere Portlandzement grundsätzlich verzögern. Der beschleunigende Effekt ist auch deshalb besonders interessant, da Alginate einen praktisch unbegrenzt verfügbaren, nachwachsenden Rohstoff darstellen. Zudem sind sie toxikologisch unbedenklich, da Alginate in Lebensmitteln (z.B. als Verdickungsmittel) häufig enthalten sind. Bei Algen unterscheidet man grundsätzlich zwischen unterschiedlichen Gruppen wie z.B. Grünalgen, Rotalgen und Braunalgen, wobei diese sich wiederum in verschiedene Gattungen und Arten gliedern. Kommerzielle Alginate werden ausschließlich durch Extraktion aus Braunalgen (Phaeophyceae) gewonnen. Bisher durchgeführte Voruntersuchungen zeigten, dass die Zugabe von 0,1 M.% eines kommerziellen Natriumalginats die Abbindezeit von Aluminatzement mit 50 M.% Al2O3 um fast die Hälfte verkürzt. Es erscheint daher sinnvoll, gezielt und systematisch ausgewählte Alginatmuster auf ihre beschleunigende Wirkung zu untersuchen, eine optimale strukturelle Zusammensetzung zu ermitteln und den zugrundeliegenden Wirkmechanismus aufzudecken. Zunächst soll die beschleunigende Wirkung durch verschiedene Messmethoden verifiziert werden, darunter die Wärmeflusskalorimetrie (erfasst die vom Zement bei der Hydratation abgegebene Wärmemenge), Ultraschalluntersuchungen (zeigen insbesondere die Verdichtung des Gefüges anhand der Durchgangszeit der Schallwelle durch das Medium) sowie bruchmechanische Festigkeitsmessungen an Mörteln. Um den Wirkmechanismus der Alginate zu verstehen, sollen u.a. gezielte Derivatisierungen, Untersuchungen des Einflusses auf individuelle Klinkerphasen, eine Analyse des Einflusses des Alginats auf die ionische Zusammensetzung der Zementporenlösung und die Kristallisation der C-A-H-Phasen durchgeführt werden. Zuletzt soll die Wirkung der Polymere im ternären Bindemittelsystem OPC/CAC/AH betrachtet werden. Dort bilden sich jedoch grundlegend andere Hydratphasen als in reinem Aluminatzement, und zwar Ettringit anstelle von C-A-H-Phasen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen