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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.
Hybrid cements are composites made of Portland cement or Portland clinker and one or more supplementary cementitious materials like slag, fly ash or metakaolin, activated with an alkali salt. To date, their hydration mechanism and the phase formation at various temperatures is insufficiently understood, partly due to the large variability of the raw materials used. In the present study, three hybrid cements based on ground granulated blast furnace slag, fly ash, Portland clinker and sodium sulfate, and an alkali-activated slag/fly ash blend were cured at 10 and 21.5°C, and subsequently analyzed by XRD, 27Al MAS NMR, and TGA. The compressive strength of the hybrid cements was higher by up to 27% after 91-day curing at 10°C, compared to curing at 21.5°C. The experimental results as well as thermodynamic modeling indicate that the differences in compressive strength were related to a different phase assemblage, mainly differing amounts of strätlingite and C-N-A-S-H, and the associated differences of the volume of hydration products. While the strätlingite was amorphous to X-rays, it could be identified by 27Al MAS NMR spectroscopy, TGA and thermodynamic modeling. The microstructural properties of the hybrid cements and the alkali-activated slag/fly ash blend as well as the compatibility between thermodynamic modeling results and experimental data as a function of curing temperature and time are discussed.
Two hybrid alkaline cements (HAC) based on Portland clinker, ground granulated blast furnace slag (GGBFS), fly ash and sodium sulfate, as well as an alkali-activated GGBFS/fly ash blend and a Portland cement paste were exposed to a saturated saline solution for 70 days. The combined chemical attack of chloride, magnesium and sulfate ions and the associated changes of the phase assemblage of the materials were studied by X-ray diffraction, thermal analysis and spatially resolved X-ray fluorescence spectroscopy. The experimental results revealed dissolution of ettringite, C-N-A-S-H and calcite, and the formation of gypsum, Kuzel's salt and Friedel's salt; thermodynamic modeling indicated the formation of M-S-H. The resistance of the HAC against attack by the saline solution increased with Portland clinker fraction. The capacity of portlandite to maintain pH at values above 10 is found to be a major factor controlling the resistance of HAC against corrosion in the saline solution.