@phdthesis{Link,
  author    = {Link, Tim},
  title     = {Entwicklung und Untersuchung von alternativen Dicalciumsilicat-Bindern auf der Basis von alpha-C2SH},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.3722},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20180205-37228},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {292},
  abstract  = {Um den Klimawandel zu begrenzen, m{\"u}ssen die CO2-Emissionen drastisch gesenkt werden [100]. Bis 2050 soll bei der Herstellung von Zement eine Einsparung um 51-60 \% auf 0,425-0,350 tCO2/tZement erfolgen [7]. Um dieses Ziel zu erreichen, sind alternative Bindemittelkonzepte notwendig [70]. Diese Arbeit widmet sich alternativen, hochreaktiven Dicalciumsilicat-Bindemitteln, die durch die thermische Aktivierung von α-Dicalcium-Silicat-Hydrat (α-C2SH) erzeugt werden. Das α-C2SH ist eine kristalline C S H-Phase, die im hydrothermalen Prozess, beispielsweise aus Branntkalk und Quarz, herstellbar ist. Die thermische Aktivierung kann bei sehr niedrigen Temperaturen erfolgen (>420 °C) und f{\"u}hrt zu einem Multiphasen-C2S-Binder. Als besonders reaktive Bestandteile k{\"o}nnen x-C2S und r{\"o}ntgenamorphe Anteile enthalten sein. Weiterhin k{\"o}nnen β C2S, γ C2S und Dellait (Ca6(SiO4)(Si2O7)(OH)2) entstehen. Im Rahmen der Arbeit wird zun{\"a}chst der Stand des Wissens zur Polymorphie und Hydratation von C2S zusammengefasst. Es werden bekannte C2S-basierte Bindemittelkonzepte vorgestellt und bewertet. Die Herstellung von C2S-Bindern wird experimentell im Labormaßstab untersucht. Dabei kommen unterschiedliche Autoklaven und ein Muffelofen zum Einsatz. Die Herstellungsparameter werden hinsichtlich Phasenbestand und Reaktivit{\"a}t optimiert. Die Bindemittel werden durch quantitative R{\"o}ntgen-Phasenanalyse (QXRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM), N2-Adsorption (BET-Methode), Heliumpycnometer, Thermoanalyse (TGA/DSC) und 29Si-MAS- sowie 29Si-1H-CP/MAS-NMR-Spektroskopie charakterisiert. Das Hydratationsverhalten der Bindemittel wird vorrangig mithilfe von W{\"a}rmeflusskalorimetrie untersucht. Weiterhin werden in situ und ex situ XRD-, TGA/DSC- und REM-Untersuchungen durchgef{\"u}hrt. Anhand von zwei Bindemitteln wird die F{\"a}higkeit zur Erzielung hoher Festigkeiten demonstriert. Abschließend erfolgt eine Absch{\"a}tzung zu Energiebedarf und CO2-Emissionen f{\"u}r die Herstellung der untersuchten C2S-Binder. Die Ergebnisse zeigen, dass f{\"u}r eine hohe Reaktivit{\"a}t der Binder eine niedrige Brenntemperatur und ein geringer Wasserdampfpartialdruck w{\"a}hrend der thermischen Aktivierung entscheidend sind. Weiterhin muss das hydrothermal hergestellte α-C2SH eine m{\"o}glichst hohe spezifische Oberfl{\"a}che aufweisen. Diese Parameter beeinflussen den Phasenbestand und die phasenspezifische Reaktivit{\"a}t. Brenntemperaturen von ca. 420-500 °C f{\"u}hren zu hochreaktiven Bindern, die im Rahmen dieser Arbeit als Niedertemperatur-C2S-Binder bezeichnet werden. Temperaturen von ca. 600-800 °C f{\"u}hren zu Bindern mit geringerer Reaktivit{\"a}t, die im Rahmen dieser Arbeit als Hochtemperatur-C2S bezeichnet werden. H{\"o}here Brenntemperaturen (1000 °C) f{\"u}hren zu Bindemitteln, die innerhalb der ersten drei Tage keine hydraulische Aktivit{\"a}t zeigen. Die untersuchten Bindemittel k{\"o}nnen sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erreichen. Die W{\"a}rmeflusskalorimetrie deutet bei einigen Bindemitteln einen nahezu vollst{\"a}ndigen Umsatz innerhalb von drei Tagen an. Durch XRD wurde f{\"u}r einen Binder der vollst{\"a}ndige Verbrauch von x-C2S innerhalb von drei Tagen nachgewiesen. F{\"u}r einen mittels in-situ-XRD und W{\"a}rmeflusskalorimetrie untersuchten Binder wurde gezeigt, dass die Phasen vorrangig in der Reihenfolge r{\"o}ntgenamorph > x-C2S > β-C2S > γ-C2S hydratisieren. Hydratationsprodukte sind nadelige C S H-Phasen und Portlandit. Die Herstellung durch thermische Aktivierung von α-C2SH f{\"u}hrt zu tafeligen Bindemittelpartikeln, die teilweise Zwickelr{\"a}ume und Poren zwischen den einzelnen Partikeln einschließen. Um eine verarbeitbare Bindemittelpaste zu erzeugen, sind daher sehr hohe Wasser/Bindemittel-Werte (z. B. 1,4) erforderlich. Der Wasseranspruch kann durch Mahlung etwa auf das Niveau von Zement gesenkt werden. Die Druckfestigkeitsentwicklung wurde an zwei Niedertemperatur-C2S-Kompositbindern mit 40 \% Kalksteinmehl bzw. 40 \% H{\"u}ttensand untersucht. Aufgrund von theoretischen Betrachtungen zur Porosit{\"a}t in Abh{\"a}ngigkeit des w/b-Wertes wurde dieser auf 0,3 festgelegt. Durch Zugabe von PCE-Fließmittel wurde ein verarbeitbarer M{\"o}rtel erhalten. Die Festigkeitsentwicklung ist sehr schnell. Der Kalksteinmehl-Binder erreichte nach zwei Tagen 46 N/mm². Bis Tag 28 trat keine weitere Festigkeitssteigerung ein. Der H{\"u}ttensand-Binder erreichte nach zwei Tagen 62 N/mm². Durch die H{\"u}ttensandreaktion stieg die Festigkeit bis auf 85 N/mm² nach 28 Tagen an. F{\"u}r den Herstellungsprozess von Niedertemperatur-C2S-Binder wurden Energieverbr{\"a}uche und CO2-Emissionen abgesch{\"a}tzt. Es deutet sich an, dass, bezogen auf die Bindemittelmenge, keine wesentlichen Einsparungen im Vergleich zur Portlandzementherstellung m{\"o}glich sind. F{\"u}r die tats{\"a}chlichen Emissionen muss jedoch zus{\"a}tzlich die Leistungsf{\"a}higkeit der Bindemittel ber{\"u}cksichtigt werden. Die Leistungsf{\"a}higkeit kann als erforderliche Bindemittelmenge betrachtet werden, die je m³ Beton eingesetzt werden muss, um bestimmte Festigkeits-, Dauerhaftigkeits- und Verarbeitungseigenschaften zu erreichen. Aus verschiedenen Ver{\"o}ffentlichungen [94, 201, 206] wurde die These abgeleitet, dass die Leistungsf{\"a}higkeit eines Bindemittels maßgeblich von der C-S-H-Menge bestimmt wird, die w{\"a}hrend der Hydratation gebildet wird. Daher wird f{\"u}r NT-C2S-Binder eine außergew{\"o}hnlich hohe Leistungsf{\"a}higkeit erwartet. Auf Basis der Leistungsf{\"a}higkeitsthese verringern sich die abgesch{\"a}tzten CO2-Emissionen von NT-C2S-Bindern, sodass gegen{\"u}ber Portlandzement ein m{\"o}gliches Einsparpotenzial von 42 \% ermittelt wurde.},
  subject      = {Belit},
  language  = {de}
}