@phdthesis{Schoeler,
  author    = {Sch{\"o}ler, Axel},
  title     = {Hydration of multi-component cements containing clinker, slag, type-V fly ash and limestone},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.2622},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20160705-26221},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {189},
  abstract  = {Problemstellung und Zielsetzung 1. Die Herstellung von Portlandzementklinker tr{\"a}gt zu etwa 5 bis 8 \% zur j{\"a}hrlichen Emissionsmenge an menschlich generiertem CO2 bei. Dies ist begr{\"u}ndet in der Verwendung von fossilen Brennstoffen (ca. 40 \% des gesamten CO2) und in der Ents{\"a}uerung des stark kalksteinhaltigen Rohmehls (ca. 60 \% des gesamten CO2). 2. Verschiedene Strategien zur Verringerung des Ausstoßes an CO2 werden angewandt. Dies sind insbesondere die Optimierung der Prozessf{\"u}hrung bei der Klinkerherstellung, die Verwendung alternativer Brennstoffe und die teilweise Substitution des Klinkeranteils in Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen durch Zementersatzstoffe, sogenannte SCM (supplementary cementitious materials), wobei H{\"u}ttensand, Flugasche und Kalksteinmehl die meist verwendeten Materialien darstellen. 3. Durch die Reduktion des Klinkeranteils k{\"o}nnen quatern{\"a}re Systeme nicht nur einen Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen leisten. Ebenfalls ist es mit derartigen Systemen m{\"o}glich H{\"u}ttensande und Flugaschen m{\"o}glichst {\"o}konomisch einzusetzen und gegebenenfalls auf Engp{\"a}sse bei deren Verf{\"u}gbarkeit zu reagieren. 4. H{\"u}ttensande und Flugaschen zeigen {\"A}hnlichkeiten in ihrer prinzipiellen chemischen Zusammensetzung, so dass {\"a}hnliche Hydratphasen w{\"a}hrend ihrer Reaktion in Anwesenheit von Portlandzement gebildet werden k{\"o}nnen. Im Vergleich zu tern{\"a}ren Systemen, die neben Kalkstein auch H{\"u}ttensand oder Flugasche enthalten, kann bei quatern{\"a}ren Zementen, die neben Kalkstein sowohl H{\"u}ttensand als auch Flugasche enthalten, eine {\"a}hnliche Phasenentwicklung und damit auch {\"a}hnliche Festigkeitsentwicklung erwartet werden. 5. Die Verwendung von SCM als Zementersatzstoff ist durch die im Vergleich zu Portlandzement deutlich langsamere Reaktion und die dadurch bedingte ebenfalls langsamere Festigkeitsentwicklung begrenzt. Dies betrifft insbesondere die Entwicklung innerhalb der ersten 28 Tage. Dementsprechend ist es unerl{\"a}sslich die Reaktivit{\"a}t von SCM wie H{\"u}ttensanden und Flugaschen eingehend zu untersuchen um die Reaktionsf{\"a}higkeit- und Geschwindigkeit und somit die Festigkeitsentwicklung zu steigern. 6. Die fr{\"u}he Reaktion der Hauptklinkerphasen ist weitgehend untersucht und beschrieben, wobei entsprechende Studien meist hochverd{\"u}nnte Modellsysteme betrachten. Jedoch gibt es kaum Hinweise inwiefern diese Erkenntnisse auf konzentrierte Systeme bei realistischen Wasser-Feststoff Verh{\"a}ltnissen {\"u}bertragen werden k{\"o}nnen. Entsprechende Untersuchungen sind n{\"o}tig um die Wechselwirkungen von Portlandzement und SCM in der Fr{\"u}hphase der Reaktion zu beschreiben. Stand der Wissenschaft 7. In verd{\"u}nnten Systemen f{\"u}hrt steigender Ca-Gehalt zu einer niedrigeren Aufl{\"o}sungsrate von C3S und C2S. 8. Bestimmende Faktoren der Aufl{\"o}sung von C3S sind sowohl die Unters{\"a}ttigung bez{\"u}glich C3S als auch die {\"U}bers{\"a}ttigung in Bezug auf C-S-H. 9. Erh{\"o}hte Al-Konzentrationen f{\"u}hren zur Verz{\"o}gerung der Hydratation von C3S. Dies kann begr{\"u}ndet sein durch die Einbindung von Al in C-S-H und eine dadurch bedingte deutlich langsamere Wachstumsrate von C-(A)-S-H. Ebenfalls scheint ein verz{\"o}gernder Effekt von Al auf die Aufl{\"o}sung von C3S m{\"o}glich. 10. Die Oberfl{\"a}che von Kalkstein bietet besonders gute Bedingungen f{\"u}r die Keimbildung von C-S-H, so dass im Vergleich zu anderen SCM in Anwesenheit von Kalkstein deutlich mehr C-S-H Keime gebildet werden. 11. Die Reaktivit{\"a}t von H{\"u}ttensand und Flugasche wird einerseits durch die Korngr{\"o}sse, andererseits jedoch auch durch die intrinsische Reaktivit{\"a}t des amorphen Anteils selbst bestimmt. 12. In amorphen (Calcium)Aluminosilikaten f{\"u}hrt ein steigender Gehalt an Netzwerkmodifizierern, wie z.B. CaO, zu einem st{\"a}rker depolymerisierten Glasnetzwerk und damit zu steigender Reaktivit{\"a}t. Die Wirkung von amphoteren Oxiden (Al2O3, Fe2O3) die sowohl als Netzwerkmodifizierer als auch als Netzwerkbildner auftreten k{\"o}nnen ist nicht vollst{\"a}ndig gekl{\"a}rt. 13. CO2 haltige Monophasen besitzen im Vergleich zu Monosulfoaluminat eine h{\"o}here thermodynamische Stabilit{\"a}t, wodurch Ettringit stabilisiert wird. Durch das hohe spezifische Volumen von Ettringit wird ein Maximum an Raumausf{\"u}llung, dadurch eine geringere Porosit{\"a}t und in Folge ein Maximum an Festigkeit erreicht. 14. Kalkstein reagiert nur in geringem Ausmaß entsprechend dem zur Reaktion vorhandenen Al2O3, wobei sich zun{\"a}chst Hemicarboaluminat, sp{\"a}ter Monocarboaluminat bildet. Dabei wird Al2O3 nicht nur durch den Portlandzement selbst, sondern auch durch die Aufl{\"o}sung von SCM, insbesondere von Flugasche, zur Verf{\"u}gung gestellt. Methodik 15. Der Einfluss von SCM auf die fr{\"u}he Hydratation von Portlandzement in bin{\"a}ren (d.h. H{\"u}ttensand oder Flugasche oder Quarz) und tern{\"a}ren (d.h. Flugasche und Kalkstein) Systemen wurde mittels isothermer Kalorimetrie und Porenl{\"o}sungsanalysen untersucht. {\"U}ber die chemische Zusammensetzung der Porenl{\"o}sung ermittelte S{\"a}ttigungsindices und L{\"o}slichkeitsprodukte wurden in Bezug zur W{\"a}rmeentwicklung gesetzt. Basierend auf den ermittelten Daten wurde evaluiert, inwiefern Mechanismen die die Hydratation von reinen Klinkerphasen in verd{\"u}nnten Systemen bestimmen ebenfalls in Zementpasten unter realistischen Bedingungen maßgebend sind. 16. Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die Reaktivit{\"a}t von Gl{\"a}sern bei hohem pH (>13) wurde mittels Ionenchromatographie in hoch verd{\"u}nnten Systemen untersucht. Puzzolanit{\"a}tstests wurden an vereinfachten Modellsystemen sowie an Portlandzement-Glass-Systemen durchgef{\"u}hrt. Das Reaktionsverhalten der Gl{\"a}ser wurde {\"u}ber isotherme Kalorimetrie und thermogravimetrische Experimente untersucht. {\"U}ber Massenbilanzkalkulationen kann der Gehalt an gebundenem Wasser in Funktion der Menge an reagiertem Glas berechnet werden. Ein Abgleich mit gebundenem Wasser bestimmt {\"u}ber thermogravimetrische Untersuchungen erlaubt es, den Reaktionsgrad der Gl{\"a}ser abzusch{\"a}tzen. Zus{\"a}tzliche Experimente mittels selektiver L{\"o}sung wurden zu Vergleichszwecken durchgef{\"u}hrt. 17. Die Reaktionskinetik von quatern{\"a}ren Pasten die sowohl Kalksteinmehl als auch H{\"u}ttensand und Flugasche enthalten wurden bis zum Alter von 28 Tagen mittels isothermer Kalorimetrie und Experimenten zum chemischen Schwinden untersucht. Erg{\"a}nzend wurden Festigkeitspr{\"u}fungen an M{\"o}rtelprismen durchgef{\"u}hrt. 18. Quatern{\"a}re Pasten wurden ebenfalls hinsichtlich der gebildeten Hydratphasen bis zu einem Alter von 182 Tagen untersucht. Hierzu wurden basierend auf thermodynamischen Modellierungen volumetrische Berechnungen zum gesamten Phasenvolumen als Funktion des Kalkstein- und des Flugaschen- bzw. H{\"u}ttensandgehalts durchgef{\"u}hrt. Erg{\"a}nzt durch thermogravimetrische Ermittlung des Gehalts an gebundenem Wasser und Portlandit, sowie mittels qualitativen r{\"o}ntgendiffraktometrischen Untersuchungen wurden die Ergebnisse der thermodynamischen Berechnungen mit der Festigkeitsentwicklung von M{\"o}rtelprismen abgeglichen. 19. Porenl{\"o}sungen von quatern{\"a}ren Systemen wurden bis zu einem Alter von 728 Tagen mittels Ionenchromatographie und pH-Bestimmung analysiert. {\"U}ber die ermittelten Konzentrationen wurden S{\"a}ttigungsindices f{\"u}r relevante Phasen ermittelt. Im Hinblick auf den Einfluss des H{\"u}ttensandes wurden Porenl{\"o}sungen f{\"u}r ausgew{\"a}hlte Systeme bei verschiedenen H{\"u}ttensandgehalten (20 und 30 M.\%) bei 91 Tagen, sowie f{\"u}r die gesamten Matrix bis zu 91 Tagen, auf verschiedene Schwefelspecies untersucht. Im Wesentlichen erzielte Ergebnisse 20. Untersuchungen zur fr{\"u}hen Reaktionskinetik von bin{\"a}ren Systemen zeigten einen st{\"a}rkeren W{\"a}rmefluss in Anwesenheit von SCM, bedingt durch erh{\"o}hte f{\"u}r die Keimbildung zur Verf{\"u}gung stehende Oberfl{\"a}che sowie eine geringere ({\"U}ber)S{\"a}ttigung bez{\"u}glich C-S-H. Erh{\"o}hte Ca-Konzentrationen f{\"u}hrten nicht zu langsamerer Aufl{\"o}sung von C3S, wie dies f{\"u}r reine Phasen bei hoher Verd{\"u}nnung beobachtet wurde. Im Gegensatz zu Untersuchungen in Reinstsystemen f{\"u}hrten h{\"o}here Ca-Konzentrationen nicht zu geringeren Reaktionsraten von C3S. Die schnellste Reaktion wurde bei Anwesenheit von Kalkstein, d.h. den h{\"o}chsten Ca-Konzentrationen, beobachtet. Die grunds{\"a}tzliche Reaktionscharakteristik zeigt einen inversen Bezug zur Unters{\"a}ttigung bez{\"u}glich C3S, wobei h{\"o}here Unters{\"a}ttigung zu schnellerer Reaktion f{\"u}hrt. Wie ebenfalls in Reinstsystemen bei hoher Verd{\"u}nnung beobachtet, f{\"u}hrt die Anwesenheit von Aluminium zur Verz{\"o}gerung der Reaktion. H{\"o}here SO42--Konzentrationen wurden in Anwesenheit von Flugasche beobachtet was die Ettringitausf{\"a}llung verhinderte und zu h{\"o}heren Al-Konzentrationen f{\"u}hrt. Dieser Mechanismus f{\"u}hrt zu h{\"o}heren Al-Konzentrationen in Gegenwart von Quarz, H{\"u}ttensand und Kalkstein im Gegensatz zu Anwesenheit von Flugasche. 21. Die fr{\"u}he Hydratation von quatern{\"a}ren Systemen wird in Anwesenheit von Kalkstein deutlich beschleunigt, w{\"a}hrend Flugasche zu einer Verz{\"o}gerung f{\"u}hrt. Im Gegensatz zu einem Referenzsystem mit inertem Quarz konnte mittels isothermer Kalorimetrie und chemischem Schwinden eine Reaktionsbeschleunigung in Anwesenheit von H{\"u}ttensand nachgewiesen werden. Weitere Zugaben an Flugasche, Kalkstein oder Mischungen von beiden f{\"u}hrten zu einer weiteren Beschleunigung, wobei die Unterschiede zwischen diesen Materialien zu gering sind um eine klare Unterscheidung zu erm{\"o}glichen. 22. Bei allen zur Glasaufl{\"o}sung- bzw. Reaktivit{\"a}t durchgef{\"u}hrten Experimenten zeigten sich identische Trends, d.h. steigende Reaktivit{\"a}t und Aufl{\"o}sungsgeschwindigkeit mit steigendem Anteil an Netzwerkmodifizierern innerhalb der Glasstruktur. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Al2O3 in s{\"a}mtlichen betrachteten Glaszusammensetzungen vorwiegend als Netzwerkmodifizierer vorliegt. Die thermogravimetrische Bestimmung von gebundenem Wasser bei den Modellsystemen und den glashaltigen Zementen kann {\"u}ber Massenbilanzberechnungen als Funktion des Anteils an reagiertem Glas zur Absch{\"a}tzung des Glasreaktionsgrades verwendet werden. 23. Zu fr{\"u}hen Zeiten von bis zu 7 Tagen hat der Anteil an H{\"u}ttensand, Flugasche oder Kalkstein keinen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeitsentwicklung. Zu sp{\"a}teren Zeiten wurde {\"u}ber thermodynamische Berechnungen ein Reaktionsgrad des enthaltenen CaCO3 (Calcit) von 2 bis 5 M.\% ermittelt. Dies f{\"u}hrt zur Bildung von Hemicarboaluminat und Monocarboaluminat wodurch Ettringit indirekt stabilisiert wird. In Folge ergibt sich ein h{\"o}heres absolutes Volumen der gebildeten Hydratphasen und damit h{\"o}here Festigkeiten wie Festigkeitsuntersuchungen an M{\"o}rtelprismen zeigen. Dabei h{\"a}ngt der Reaktionsgrad des CaCO3 vom verf{\"u}gbaren Al2O3 ab, welches neben dem Portlandzement selbst auch durch die Reaktion von H{\"u}ttensand, im Besonderen aber durch die Aufl{\"o}sung der Flugasche zur Verf{\"u}gung steht. 24. Allgemein hat die Anwesenheit von H{\"u}ttensand und Flugasche in Gegenwart von Kalkstein wenig Einfluss auf die gebildeten Hydratphasen. Die sukzessive Substitution von H{\"u}ttensand durch Flugasche f{\"u}hrt zu einer geringen Abnahme von Portlandit und C-S-H und beg{\"u}nstigt die Bildung von mehr Monocarboaluminat und Hemicarboaluminat. Portlandit reagiert puzzolanisch mit der Flugasche wobei sich C-S-H bildet. Dennoch f{\"u}hrt die geringe Reaktivit{\"a}t der Flugasche zu geringerem Gehalt an C-S-H was wiederrum sinkendes gesamtes Hydratphasenvolumen und damit niedrigere Festigkeitswerte generiert. Allerdings ist der Einfluss gering und alle untersuchten Systeme erreichen die Festigkeitsklasse 42.5 N entsprechend EN 196-1. 25. Analog zur Hydratphasenbildung zeigten Untersuchungen der Porenl{\"o}sungschemie von quatern{\"a}ren Systemen durchweg {\"a}hnliche Ergebnisse. Entsprechend dem Gehalt an Flugasche sind die st{\"a}rksten Variationen in den Al-Konzentrationen zu verzeichnen, welche mit steigendem Gehalt an Flugasche und mit fortschreitender Hydratation ansteigen. Weiterhin ist zu sp{\"a}teren Zeiten Portlandit bei hohen Gehalten an Flugasche zusehends unters{\"a}ttigt, w{\"a}hrend die Unters{\"a}ttigung bez{\"u}glich Str{\"a}tlingit abnimmt, was auf die Aufl{\"o}sung von Portlandit hinweist. 26. Der absolute Gehalt an SO3 in der Porenl{\"o}sung wird dominiert von Sulfat (SO42-), w{\"a}hrend die Konzentrationen von Sulfit (SO32-) und Thiosulfat (S2O32-) sehr niedrig waren. Nach 2 Tagen lagen ca. 90 \% des gesamten Schwefels in Form von SO42- vor. Nach 91 Tagen waren dies ca. 36 \% w{\"a}hrend ca. 28 \% als S2O32- vorlagen. Bei h{\"o}heren Gehalten an H{\"u}ttensand sind dabei nach 7 Tagen h{\"o}here Konzentrationen an SO32- und S2O32- feststellbar.},
  subject      = {Hydrauliche Bindemittel},
  language  = {en}
}