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Die Zementindustrie erzeugt etwa 6-7% der globalen CO2-Emissionen und steht damit als Industriezweig vor dem Hintergrund einer anvisierten Klimaneutralität vor gewaltigen Herausforderungen. Der Prozess der Klinkerherstellung wurde über die vergangenen Jahrzehnte bereits kontinuierlich optimiert. Seit 1990 ist es der deutschen Zementindustrie gelungen, die spezifischen CO2-Emissionen der Zementproduktion u. a. durch den Einsatz alternativer, nicht fossiler Brennstoffe und durch Absenkung des Klinkergehalts im Zement um 20 % zu senken. Weitere konventionelle Minderungsstrategien versprechen jedoch nur noch wenig zusätzliche Reduktion. Im Falle des Portlandklinkers besteht die Schwierigkeit darin, dass zwei Drittel der CO2-Emissionen rohstoffbedingt durch die Entsäuerung des Kalksteins (CaCO3) anfallen, die durch die beschriebenen Maßnahmen nicht weiter abgesenkt werden können. Vielmehr wird es erforderlich sein, noch zu entwickelnde oder zu optimierende Technologien anzuwenden und ggf. alle relevanten Ebenen wie Produktion, Weiterverarbeitung und Anwendung von Zement und Beton neu zu denken. Neben technologischen Ansätzen zur CO2-Abscheidung mit nachfolgender langfristiger Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS) oder Verwertung (Carbon Capture and Utilisation – CCU) werden auch alternative Rohstoffe für die Zementproduktion und alternative Bindemittel in Betracht zu ziehen sein.
Hybrid cements (cements composed of Portland clinker, supplementary cementitious materials and an alkaline activator) potentially combine advantages of conventional cements with those of alternative binders, such as low heat of hydration and improved durability in some environments. While fly ash-based hybrid cements have been studied in considerable detail, slag-dominated hybrid cements appear to have received less attention. Here, the latter materials have been studied by isothermal calorimetry, X-ray diffraction and strength testing. The heat of hydration of these cements was as low as ~50% of that of an ordinary Portland cement, while their strength after 28-day curing was in the range 31–61 MPa. The phase assemblages after 28-day curing depended on the activator, with Na2SO4 leading to ettringite and Na2CO3 leading to hemicarbonate formation, respectively, besides C–A–S–H, portlandite and hydrotalcite. The U phase was identified when a high Na2SO4 dose and/or fly ash was employed. Na2SO4 accelerated the early reaction of the Portland clinker, while Na2CO3 appeared to decrease the extent of reaction of the clinker and led to a shift of the second hydration peak (likely related to slag reaction) to later hydration times, as did substitution of slag by fly ash. Increasing Na2SO4 dose from 4 to 6% did not lead to further acceleration of hydration or improved strength.
Due to environmental concerns regarding the use of Portland cement as the principal binder material in concrete and mortar it is imperative to identify alternative materials that could reduce the carbon footprint of the construction industry. One alternative to address these issues is the use of alkali activated materials, in particular, when based on waste streams that currently have no or only limited industrial application. This paper reports a preliminary study into the synthesis of geopolymer mortar utilizing Brown Coal Fly Ash. The ash had a CaO content of ~39%, indicating that synthesis at ambient or low temperature may be feasible. The paper reports initial trials on the effect of curing temperature, ambient to 120 °C, on the mechanical properties of the mortars produced. The results showed that ambient cured mortar achieved a compressive strength of 6.5 MPa at 3 days. A curing temperature of 60 °C gave the optimum results with a compressive strength of almost 20 MPa and a flexural strength of 3.5 MPa obtained.
Die Hauptfunktion von Verschlussbauwerken für End- und Zwischenlager von radioaktiven Abfällen besteht in der Erhaltung der geologischen Barriere. Vor allem soll ein potenzieller Stofftransport durch eine möglichst geringe Permeabilität des Bauwerks verhindert bzw. auf vernachlässigbare Werte herabgesetzt werden. Die in-situ-Permeabilität des Verschlussbauwerks steht dabei in direktem Zusammenhang mit dessen Poren- und Makrostruktur, welche bei Bauwerken auf Basis von Beton insbesondere durch Schwind-verformungen und durch thermisch induzierte Rissbildung infolge der Reaktionswärmeentwicklung des Bindemittels gestört werden kann. Die Betone müssen daher neben einer hohen chemischen Langzeitstabilität auch eine geringe bzw. langsame Wärmeentwicklung während der Erhärtungsreaktionen aufweisen. Als hybride Zemente werden Mischungen aus Portlandzement, Betonzusatzstoffen und einem alkalischen Aktivator bezeichnet. Dabei können u. a. Alkalisulfate, Alkalicarbonate, Alkalisilicate und Alkalihydroxide als Aktivatoren zum Einsatz kommen. Aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilität im salinaren Milieu sind Betone aus solchen Zementen potenziell besonders gut als Verfüllmaterial für End- und Zwischenlager im Steinsalz geeignet. In der vorliegenden Studie wurden daher hybride Zemente hinsichtlich ihrer Wärmeentwicklung in einem isothermen Kalorimeter sowie hinsichtlich Phasenbestand und Festigkeiten untersucht. Hybride Zementleime wurden auf Basis von Portlandklinker, Hüttensandmehl, Flugasche und Natriumsulfat hergestellt und die Zusammensetzungen systematisch variiert, um den Einfluss der Komponenten auf Wärmeentwicklung, Phasenbestand und mechanische Eigenschaften der Leime zu untersuchen; zusätzlich wurden zu Vergleichszwecken ein Zementleim auf Basis der Betonrezeptur M2 sowie eine alkalisch aktivierte Flugasche untersucht.
The oxidation of sulfur in aqueous solutions is an important process in several geochemical and industrial contexts. In concrete technology, it is particularly relevant for the protection of steel reinforcement in slag cement-based concretes, as the presence of sulfides affects the passivation of the steel and corrosion initiation in the presence of chlorides. However, the knowledge about the kinetics of sulfide oxidation in alkaline solutions, such as concrete pore solutions, is incomplete. To address this issue, we prepared solutions with 0.80 M NaOH, and nominally 10, 100 and 350 mM HS−, respectively, and followed the evolution of the sulfur species during bubbling with oxygen-containing gas (concentration 100% or 22%) using X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy at the sulfur K-edge. Polysulfide, thiosulfate, sulfite and sulfate were identified and quantified via linear combination fitting of the spectra, using previously measured standards. A preliminary analysis of the results shows that the initial rate constant of sulfide oxidation depends strongly on the HS− concentration, while it less strongly depending on the oxygen concentration, in line with previous results for lower pH values. Approaches to fit the data to obtain the rate constants of all relevant reactions will be discussed.
The current understanding of the carbonation of alkali-activated concretes is ham-pered inter alia by the wide range of binder chemistries used. To overcome some of the limitations of individual studies and to identify general correlations between their mix design parameters and carbonation resistance, the RILEM TC 281-CCC working group 6 compiled carbonation data for alkali-activated concretes and mortars from the literature. For comparison purposes, data for blended Portland cement-based concretes with a high percentage of SCMs (≥ 66 % of the binder) were also included in the database. A preliminary analysis of the database indicates that w/CaO ratio and w/b ratio exert an influence on the carbonation resistance of alkali-activated concretes but, contrary to what has been reported for concretes based on (blended) Portland cements, these are not good indicators of their carbonation resistance when considered individually. A better indicator of the carbonation resistance of alkali-activated concretes under conditions approxi-mating natural carbonation appears to be their w/(CaO + Na2O + K2O) ratio. Furthermore, the analysis points to significant shortcomings of tests at elevated CO2 concentrations for low-Ca alkali-activated concretes, indicating that even at a concentration of 1 % CO2, the outcomes may lead to inaccurate predictions of the carbonation coefficient under natural exposure conditions.
Alkali-activated slag materials are known for their high Chloride penetration resistance. This makes them potentially applicable as repair systems for damaged steel-reinforced concrete structures, which are exposed to chloride attack. For this purpose, the influence of the activator composition, i.e. the SiO2 and Na2O concentration of the alkaline solution on a) the compressive strength, b) shrinkage and mass change and c) the resistance against chloride penetration of four alkali-activated slag mortars (AASM) were studied. An ordinary Portland cement-based mortar was used as the reference sample. Increasing SiO2 and Na2O concentrations increased the strength, shrinkage and mass loss of the AASMs. The resistance of the mortars against chloride penetration was evaluated using the non-steady-state migration coefficient Dnssm obtained from NT BUILD 492. The results indicate that the Dnssm is related to differences in the pore solution of the AASMs rather than to differences in their microstructure. An upcoming study of the authors is going to evaluate this hypothesis by the accelerated chloride penetration (diffusion) test.
Alkali-activated materials are ideal for the repair of concrete structures in harsh environmental conditions due to their high durability in chemically aggressive environments. However, slag-based mortars, in particular, are prone to shrinkage and associated cracks. In this respect, the application of steel fibres is one solution to reduce the formation of shrinkage induced cracks and to improve post cracking behaviour of these mortars. This study investigated the influence of two different types of steel fibres on the tensile properties of two alkali-activated mortars. Direct tensile tests and single fibre pull-outs were performed to analyse the determining failure modes both on macro and micro scale. Mechanical testing was accompanied by non-destructive testing methods such as digital image correlation and acoustic emission for a detailed analysis of the fracture process.
Two brick clays (rich in 2:1 clay minerals) and a low-grade kaolinitic clay were studied regarding their transformations during calcination and their performance in blended cement mortars. The mortars with calcined clays exhibited decreased workability (slump flow), but this effect could be mitigated by employment of a conventional superplasticizer; however, compressive strength of the hardened mortar was lowered in some cases. While the kaolinitic clay generally yielded the highest strength, the performance of a brick clay could be increased by grinding to higher fineness and by mixing it with the kaolinitic clay.
Einkomponentige alkaliaktivierte Bindemittel (AAB), d. h. AAB, bei denen der Aktivator als Feststoff im Bindemittel vorliegt, weisen Vorteile hinsichtlich der praktischen Anwendung im Bauwesen gegenüber konventionellen AAB auf. Einkomponentige AAB lassen sich als Gemische aus reaktiver Silica und Natriumaluminat herstellen, wobei die Reaktionsprodukte von der eingesetzten Silica und den Verhältnissen Na2O/Al2O3/SiO2/H2O abhängen: Während Mikrosilica und ähnliche Reststoffe zu zeolithreichen Produkten führen, erhält man aus Reisschalenasche vollständig amorphe Gele (sog. «Geopolymere »). Mörtel auf Basis solcher Bindemittel entsprechen den Anforderungen von DIN 19573:2016-03 hinsichtlich des Widerstands gegen Schwefelsäureangriff (Prüfung bei pH = 1 für 70 d) und sind damit potentiell als Reparatursysteme für Abwasserinfrastruktur geeignet. Untersuchungen mittels 29Si-MAS-NMR und 1H-29Si-Kreuzpolarisations(CP)-MAS-NMR sowie REM-Aufnahmen von erhärteten und dem Schwefelsäureangriff ausgesetzten AAB zeigen, dass der hohe Säurewiderstand v. a. auf die Fällung von Silicagel an der Grenzfläche Mörtel/Säure zurückzuführen ist, wodurch der Korrosionsfortschritt in darunterliegenden Schichten verlangsamt wird.