Aktivierung von Zementstein als Weg zur Dekarbonatisierung von Beton

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Dehn
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541766792

Die Herstellung von Beton als meistverwendeter Baustoff trägt in hohem Maße zu CO2-Emissionen bei, vor allem aufgrund der CO2-intensiven Zementklinkerherstellung. Daher ist ein zweigleisiger Ansatz erforderlich, um diese Emissionen zu verringern: Die Produktion muss umweltfreundlicher gestaltet und der Bedarf an neuem Zementklinker durch die Wiederverwendung von Zementstein aus abgebrochenem Beton reduziert werden. Für Letzteres bieten sich zwei unterschiedliche Methoden an: thermische Aktivierung und Karbonatisierungsaktivierung. Bei der thermischen Aktivierung wird hydratisierter Zementstein (ZS) hohen Temperaturen (etwa 600 °C) ausgesetzt. Dieser Prozess löst eine Umkehrreaktion der Zementhydratation aus, indem Hydratationsprodukte wie Calciumhydroxid (CH) und Calciumsilikathydrat (C-S-H) zersetzt werden. Infolgedessen ähneln die für die Betonherstellung verwendeten Materialien nach der thermischen Aktivierung denen von primärem Zement. Im Gegensatz dazu wird bei der Nasskarbonisierung CO2 in den ZS eingebracht. Durch diese Wechselwirkung bilden C S H und CO2 ein amorphes, puzzolanisches (Aluminium)Kieselgel. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass sie CO2 im Aktivierungsprozess nutzt und speichert, was bei der Herstellung neuer Kompositzemente zu negativen CO2-Emissionen führen kann. Beide Verfahren haben das Potenzial, CO2-Emissionen zu reduzieren und Ressourcen zu schonen. Es stellt sich die Frage, welches Verfahren sich hinsichtlich der Frisch- und Festbetoneigenschaften in Bezug auf Hydratationswärmeabgabe, Abbindezeiten, Fließfähigkeit, Festigkeitsentwicklung oder CO2-Emissionen als vorteilhafter erweist. In der Literatur und in eigenen experimentellen Analysen haben sich beide Verfahren als wirksam erwiesen, doch fehlt ein direkter Vergleich, der die individuellen Vorteile und Anwendungsgrenzen für einzelne Parameter aufzeigt. Die vorgeschlagene Strategie dieses Froschungsantrags besteht darin, verschiedene Kompositzemente mit beiden Aktivierungsmethoden parallel zu untersuchen, um einen direkten Vergleich der Leistungsfähigkeit zu ermöglichen. Der Prozess beginnt mit der umfassenden Untersuchung und Charakterisierung verschiedener Ausgangsstoffe für ZS. Anschließend werden diese Materialien thermisch und durch Karbonisierung aktiviert. Diese aktivierten ZS werden einzeln analysiert und mit herkömmlichen Zementen gemischt, wobei die Substitutionsrate schrittweise erhöht wird, um schließlich einen Klinkeranteil von bis zu 20 Gew.-% zu erreichen. Die resultierenden Mischungen werden ebenfalls analysiert. Zur Bewertung der Festigkeitsentwicklung werden alle Mischungen als Mörtel hergestellt und geprüft. Gleichzeitig werden Referenzsysteme charakterisiert und dienen als Basis für eine umfassende Bewertung. Schließlich dienen die experimentellen Ergebnisse als Grundlage für umfangreiche mikrostrukturelle und multiskalige Modellierungen zur Vorhersage der mechanischen Eigenschaften von Kompositzementen, die rezyklierte Feinanteile enthalten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2436: Klimaneutraler Beton