7.4 Baustofftechnologie
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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.
Für die flächige Instandsetzung von Stahlbetonkonstruktionen kommen nahezu ausschließlich zementgebundene Systeme mit hohem Zementgehalt zum Einsatz (1). Bereits 2008 war die Zementproduktion für 5% des weltweiten, anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich (2). Um die prozessbedingten CO2-Emissionen zu senken, wird der Zement bereits durch gewisse Mengen an Sekundärrohstoffen wie Flugasche, Silicastaub oder Hüttensandmehl (Hochofenschlacke) substituiert. Das Potenzial für weitere Modifikationen ist inzwischen begrenzt (3). Zudem ist eine hohe Lebensdauer der Konstruktionen in vielen Anwendungsbereichen nur bedingt realisierbar. Spätestens mit Erreichen der geplanten Nutzungsdauer müssen Stahlbetonkonstruktionen mit zementgebundenen Systemen instandgesetzt werden, was im ökonomischen und ökologischen Sinne keine nachhaltige Lösung darstellt. Die Verwendung neuer Baustoffe wie alkalisch aktivierte Mörtel hält sich bisher in Grenzen (4), sodass die Akzeptanz durch praxisnahe Forschung adressiert werden muss.
Vorangegangene Forschungsergebnisse zeigen, dass alkalisch aktivierte Bindemittel vielversprechende technische Eigenschaften besitzen. So zeigen sich im Vergleich zu herkömmlichem Portlandzement ein ausgesprochen wirkungsvoller Verbund zu Stahl und Zementmörtel (5), (6), eine hohe chemische Beständigkeit sowie ein Erfolg versprechendes Abwitterungsverhalten bei Frost-Tau-Wechseln (7). Mit diesen Eigenschaften können alkalisch aktivierte Mörtel einen erheblichen Beitrag zur dauerhaften Betoninstandsetzung leisten und somit durch die verringerten CO2-Emmissionen dem Prinzip des nachhaltigen Bauens gerecht werden. Wichtig für die Produktion im größeren Maßstab ist die Verfügbarkeit der möglichen Reststoffe, um eine CO2-positivere Bilanz abzubilden.
Im Zuge des Forschungsvorhabens sollen Rezepturen für Instandsetzungsprodukte entworfen werden, die auf alkalisch aktivierte industrielle Reststoffe zurückgreifen und die Anforderungen an konventionelle Instandsetzungsprodukte erfüllen. Hierzu wurden potenzielle Ausgangs-stoffe mit Natriumcarbonat aktiviert und die Verarbeitbarkeit der Leime sowie die Druckfestigkeiten nach sieben Tagen verglichen. Hüttensandmehl reagiert ausreichend mit diesem Aktivator, was sich mit Ergebnissen von (8) und (9) deckt. Es werden 〖CO〗_3^(2-)-Ionen in das System eingebaut, was zu einer anfänglichen Erstarrung des Gefüges durch die Bildung von Carbonaten (Calcit und Hydrotalcit) führt. Nach einer längeren dormanten Phase bilden sich zusätzlich Hydratphasen, die die Festigkeit weiter erhöhen. Weiterhin ist die chemische Zusammensetzung der Schlacken für die Erhärtung und die späteren Eigenschaften von großer Bedeutung (10), (11), was mit einer Parameterstudie im laufenden Jahr an natriumcarbonataktivierten Schlacken näher betrachtet werden soll. Erkenntnisse aus vergleichenden Versuchen durch (12) bestätigen die Einflussnahme der chemischen Zusammensetzung. Die übrigen Reststoffe konnten mit anderen Aktivatoren (z. B. Natriumsilicat und -hydroxid) zu einer Reaktion angeregt werden. Im Hinblick auf die Akzeptanz der alkalisch aktivierten Bindemittel stellen diese Aktivatoren jedoch bei der Herstellung höhere technische Anforderungen an das Personal und die verwendeten Geräte im Vergleich zur konventionellen Beton- und Mörteltechnik. Die Aktivierung mittels Alkalicarbonaten ermöglicht die Herstellung von Beton bzw. Mörtel nach dem üblichen „just add water“-Prinzip (13).
Aktuell wird unter Einbindung einer studentischen Abschlussarbeit eine Rezeptur mit Hüttensandmehl hinsichtlich der Frisch- und Festeigenschaften charakterisiert und einer Referenzmischung – basierend auf Portlandzement – gegenübergestellt. Hieraus resultierende Ergebnisse sollen neben den Erkenntnissen aus den Vorversuchen zur Konferenz vorgestellt und ein Ausblick auf die weitere Forschungsarbeit gegeben werden.
Ziel des Projekts HYTEGRA ist die Herstellung leichter Gesteinskörnungen durch hydrothermale Behandlung quarz- und kalkreicher Reststoffe. Als Ausgangsstoffe dienen heterogener Mauerwerkbruch aus Bau- und Abbruchabfällen als SiO2-Träger und Papierasche aus dem Altpapierrecycling als CaO-Träger. Für beide Reststoffe besteht derzeit ein Verwertungsdefizit. Das Verfahren beruht auf der Idee des rohstofflichen Recyclings, d. h. die chemisch-mineralogischen Stoffeigenschaften werden für die hydrothermale Stoffumwandlung genutzt. Bei der Härtung der Hydrothermalgranulate bilden sich Calciumsilicathydrat-Phasen (CSH) aus der Reaktion zwischen Quarzpartikeln und Kalk im Autoklav bei 200 °C und 16 bar Sattdampf.
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.