Synthese und Charakterisierung nanoskaliger hydraulisch hochreaktiver Phasen des Portland- und Tonerdezements

Abstract

Bei der Produktion konventioneller Portlandzemente (PZ) und Tonerdezemente (TZ) werden Herstellungstemperaturen von ca. 1450°C (PZ) bzw. 1500°C - 1600°C (TZ) benötigt. Als Calciumlieferant kommt vor allem Kalkstein zum Einsatz. Aufgrund der hohen Sintertemperatur und der Decarbonatisierung des CaCO3 werden bei der Herstellung enorme Mengen an CO2 emittiert (0,63tCO2/tPZ). Um die CO2-Bilanz zu verbessern werden Prozessparameter optimiert, dem fertigen Zement latent-hydraulische Stoffe zugegeben und alternative Roh- und Abfallstoffe für die Herstellung verwendet. Auch wird intensiv an kalkärmeren Zementen geforscht und versucht die Zementfraktion von Alt-Beton zu dehydratisieren und wieder als Bindemittel zu verwenden. Die Phasenbildung der Zementphasen ausgehend von den üblichen Rohstoffen, die wie bei der industriellen Herstellung über einen Mahlprozess zerkleinert und homogenisiert werden, ist gut untersucht. Bei der Verwendung von manchen Abfallstoffen oder bei der Dehydratation von bereits hydratisiertem Zement liegen die Rohstoffe oft sehr homogen verteilt vor. Für solche Mischungen sind nur wenige Informationen zur Phasenbildung bekannt; die hydraulischen Eigenschaften der Zementphasen wurden meist nicht weiter untersucht. Aus diesem Grund sollte in der hier vorgelegten Arbeit die Bildung der Verbindungen des PZ und TZ bei einer sehr guten Vermischung der Ausgangsstoffe beschrieben, die bei niedrigen Sintertemperaturen entstehenden Phasen charakterisiert und deren Hydratationsverhalten untersucht werden. Die Herstellung der Phasen erfolgte mittels einer Sol-Gel-Synthese, einer Polymer-Precursor-Synthese und einer Verbrennugssynthese (Glycin-Nitrat-Prozess). Dabei konnte gezeigt werden, dass sich – im Vergleich zur konventionellen Herstellung – einige Phasen bei erheblich niedrigeren Sintertemperaturen herstellen lassen und dabei deutlich höhere hydraulische Reaktivitäten besitzen. So bildet sich die Hochtemperaturmodifikation des C2S (α´L-C2S) bei 650°C und ist dabei bis zu 8-mal so reaktiv wie das bei 1100°C erhaltene β-C2S. Hochreaktive eisenreiche Brownmillerite konnten bei 700°C synthetisiert werden. Die metastabilen Calciumaluminate C5A3 und CA (orthorhombische Modifikation) kristallisieren bei 900°C. Die hydraulische Reaktivität der Calciumaluminate ist dabei so hoch, dass die Phasen nach der Haupthydratationsreaktion vollständig hydratisiert sind. Es konnte damit in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass bei ausreichend guter Homogenisierung kalkärmere Verbindungen bei wesentlich niedrigeren Sintertemperaturen als bisher bekannt, hergestellt werden können und diese Verbindungen ausreichend hohe hydraulische Reaktivitäten für die Verwendung als Bindemittel besitzen. Grund für die wesentlich niedrigeren Herstellungstemperaturen sind neben der besseren Homogenisierung die geringen Partikel- und Kristallitgrößen von 10nm bis 50nm. Diese haben zur Folge, dass die Decarbonatisierungstemperatur des Calcits auf 550°C gesenkt wird. Die geringen Partikel- und Kristallitgrößen sorgen zudem dafür, dass sich die Phasen schneller bilden, da die Diffusion an Korngrenzen schneller als im Kristallgitter abläuft und sind im Wesentlichen auch für die höhere hydraulische Reaktivität der Zementphasen verantwortlich. Mittels eines Sprühverfahren gelang es zudem, in der Arbeit hydraulisch hochreaktives α´L-C2S und CA (orthorhombische Modifikation) bei gleichzeitig niedrigen Sintertem-peraturen, z.B. wie bei Verwendung der Polymer-Precursor-Synthese, herzustellen. Die optimierten Parameter der aufgebauten Sprühanlage ermöglichen somit die Herstellung dieser Phasen, aber auch anderer oxidischer oder metallischer Pulver mit Korn- und Kristallitgrößen von 10nm bis 50nm in einem größeren Maßstab (Up-Scaling). Durch die Verwendung der optimierten Syntheseparameter konnte zudem gezeigt werden, dass sich eine Vielzahl metastabiler Phasen bei niedrigeren Sintertemperaturen bildet. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, bei Verwendung dieser Niedrigtemperatur-Synthesemethoden weitere metastabile Phasen mit völlig neuen Eigenschaften herzustellen.