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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.
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.
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.
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.
Der kritische, Korrosion auslösende Chloridgehalt für die Beurteilung der Korrosions-beständigkeit von Betonstahl in Geopolymerbetonen ist von großer Bedeutung für die Dauerhaftigkeitsprognose für bewehrte Elemente aus solchen Materialien. Es sind kaum experimentelle Daten in der Fachliteratur vorhanden und die vorliegenden Werte unterscheiden sich zwischen den Studien erheblich. In diesem Projekt wurde der kritische, Korrosion auslösende Chloridgehalt für Betonstahl (BSt 500) in flugaschebasierten (Ca-armen) Geopolymermörtel für verschiedene Beaufschlagungskombinationen bestimmt: Chloridbeaufschlagung mit 1 M NaCl-Lösung; Auslaugen in entionisiertem Wasser und anschließende Chloridbeaufschlagung im 1 M NaCl-Lösung; Auslaugen in entionisiertem Wasser, Carbonatisierung in Luft bei 20 °C und natürlicher CO2 Konzentration und anschließende Chloridbeaufschlagung mit 1 M NaCl-Lösung. Für Referenz-Zwecke wurde zusätzlich der Korrosion auslösende Chloridgehalt für eine Portland-Zement Mischung bei Auslagerung in 1 M NaCl-Lösung bestimmt.
Der Einsatz von calcinierten Tonen als Zementhauptbestandteil ist ein vielversprechender Weg, die mit der Zementherstellung und -verwendung verbundenen CO2-Emissionen zu senken. Im Vortrag werden die Randbedingungen hierfür sowie Ergebnisse eines aktuellen Vorhabens zur Calcinierung von illitreichen Tonen (Ziegeltonen) und anderen Tonen vorgestellt.
Alkalisch aktivierte Bindemittel (AAB) und Betone können herkömmliche Zemente beziehungsweise Betone potentiell in vielen Anwendungen ersetzen und dadurch den CO2-Fußabdruck der Bauindustrie wesentlich verkleinern. Zur Untersuchung der Stahlkorrosion in bewehrten („armierten“) Betonbauteilen werden elektrochemische Methoden wie Messungen des Freien Korrosionspotentials, des Polarisationswiderstands oder von Stromdichte-Potential-Kurven eingesetzt. Diese Methoden und die etablierten Grenzwerte zur Detektion von Korrosion sind für die Anwendung bei herkömmlichen Zementen beziehungsweise Betonen entwickelt und erprobt worden. Neue Forschungsergebnisse demonstrieren, dass Unterschiede zwischen den Porenlösungszusammensetzungen von herkömmlichen Zementen und bestimmten AAB sowie anderen schlackehaltigen Zementen erhebliche Unterschiede bei den Ergebnissen der elektrochemischen Messungen bewirken und damit zur fehlerhaften Detektion von Stahlkorrosion führen können. Ursache hierfür sind vor allem reduzierte Schwefelspezies in den Porenlösungen von AAB und anderen schlackehaltigen Zementen.
Ein zentrales Fundament moderner Gesellschaften ist eine intakte Abwasserinfrastruktur. Schäden infolge biogener Schwefelsäurekorrosion von konventionellen Betonen haben jedoch zu einem erheblichen Sanierungsbedarf geführt. Alkaliaktivierte Mörtel besitzen aufgrund eines hohen Säurewiderstands das Potential, einen Beitrag zur langfristigen Lösung dieses Problems zu leisten. Dazu müssen jedoch zunächst die Faktoren, die den Haftverbund zwischen diesen Mörteln und dem Betonsubstrat bestimmen, besser verstanden werden, um die Eigenschaften der Beschichtungssysteme gezielt anpassen und verbessern zu können. Die vorliegende Arbeit liefert hierzu einen Beitrag und zeigt dadurch Wege zu einer technisch machbaren und nachhaltigen Sanierung von Abwasserbauwerken auf.
Alkali-aktivierte Hüttensandbetone – CO2-reduzierte Bindemittel mit hohem Korrosionsschutzpotential
(2023)
Durch den Ersatz von Portlandzement können alkali-aktivierte Bindemittel einen bedeutenden Beitrag zur Verringerung der durch die Zementklinkerherstellung verursachten CO2-Emissionen leisten. Für die Verwendung von alkali-aktivierten Bindemitteln in Stahlbetonkonstruktionen, die Chloriden oder Carbonatisierung ausgesetzt sind, ist die Fähigkeit des Stahls, den passiven Zustand zu erreichen und aufrechtzuerhalten, von großer Bedeutung. Die Prozesse der Deckschichtbildung von Stahl in alkali-aktivierten Materialien unterscheiden sich jedoch zum Teil grundlegend von denen in Portlandzementen. Alkali-aktivierte Hüttensandbetone weisen gute technische Eigenschaften auf, bisher fehlen jedoch grundlegende Kenntnisse bzgl. ihrer schützenden Wirkung bei korrosiven Angriffen. Dies ist vor allem auf ihre sulfidhaltige Porenlösung zurückzuführen, welche die elektrochemischen Eigenschaften der Stahloberfläche beeinflusst und die Verwendung herkömmlicher Bewertungsmaßstäbe erschwert. Es werden erste Ergebnisse eines DFG-Forschungsprojektes vorgestellt, in dem das Passivierungsverhalten von Stahl in alkali-aktivierten Hüttensandmörteln unterschiedlicher Zusammensetzungen sowie in Mörteln auf Basis hüttensandhaltiger Normzemente untersucht wird. Über einen Zeitraum von mindestens 28 Tagen werden an Zylinderprüfkörpern im 3-Elektroden-Aufbau das Ruhepotential sowie die Polarisationswiderstände der Stahlelektroden ermittelt.