Wirkung von Additiven auf die Lösungsmechanismen von Flugaschen in zementären Systemen

Steinkohlenflugaschen (SFA) sind weltweit als Betonzusatzstoffe und Hauptbestandteile im Zement im Einsatz. Durch die SFA können die Verarbeitbarkeit und die Dauerhaftigkeit von Betonen positiv beeinflusst werden. Zusätzlich ist der Einsatz von Zusatzstoffen günstig für die CO2-Bilanz des Betons. Nachteilig ist hingegen die geringe Frühfestigkeit flugaschereicher Betone. Die puzzolanische Reaktion, die erst nach einigen Tagen durch einen ausreichend hohen pH-Wert und dem Zusammenspiel mit Portlandit aus der Zementklinkerhydratation eingeleitet wird, ist der Grund hierfür. Um nun diese Reaktion zu beschleunigen ohne die Dauerhaftigkeit durch zusätzliche Alkalien zu gefährden, sollen organische Additive zum Einsatz kommen, die eine höhere Lösungsrate des Flugascheglases in der Porenlösung ermöglichen. Alkanolamine, die in der Zementindustrie als Mahlhilfsmittel verwendet werden, können Aluminium komplexieren und damit eine Hauptkomponente des Glases lösen. Aus der Glaschemie sind verschiedene organische Verbindungen bekannt, die in alkalischen Lösungen in der Lage sind, das Glasnetzwerk aufzubrechen. Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Wirkung organischer Additive auf das Flugascheglas und das Zusammenspiel im flugaschehaltigen Zement zu beleuchten. Hierdurch sollten die stattfindenden Mechanismen identifiziert werden, um die Leistungsfähigkeit flugaschehaltiger Zemente und flugaschereicher Betone durch geeignete Additive zu steigern.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die Glaslösungsmechanismen von Flugaschegläsern in Abhängigkeit einer Zugabe von organischen Additiven untersucht. Neben Steinkohlenflugaschen (SFA) wurden künstlich hergestellte Flugaschegläser verwendet. So konnte der Einfluss der kristallinen Bestandteile und der Oberflächenbeläge auf die Glaslösung untersucht werden. Durch die komplexbildende Wirkung der gewählten organischen Additive sollte die Löslichkeit des Glases erhöht werden um so die puzzolanische Reaktion zu beschleunigen und die Frühfestigkeit flugaschehaltiger Zemente zu erhöhen.

Die Lösung des Glases in alkalischen Lösungen wird durch den Aufbau des Glasnetzwerkes bestimmt. Durch Netzwerkwandler wird das Netzwerk unterbrochen und die Löslichkeit erhöht. Anhand der Zusammensetzung des Glases kann daher eine Abschätzung der Reaktivität erfolgen. Dabei sind vor allem der Aluminiumgehalt und der Gehalt an Alkalien und Erdalkalien zu berücksichtigen. Das dreiwertige Aluminium benötigt ein Alkali- oder Erdalkaliion als Ladungsausgleich, um in Tetraederkonfiguration als Netzwerkbildner zu wirken. Stehen dem Aluminium keine Gegenionen zur Verfügung, wird es als Netzwerkwandler eingebaut. Hierdurch wird der Vernetzungsgrad reduziert und damit die Reaktivität des Glases erhöht.

Bei Lösungsversuchen waren die verwendeten Additive zum Teil in der Lage, Silicium, Aluminium und Eisen aus dem Glasnetzwerk zu lösen und als Komplex in Lösung zu halten. Durch die Komplexierung von Aluminium und Eisen wird das gesamte Netzwerk geschwächt, was die Siliciumkonzentration in der Lösung zusätzlich erhöhen kann.

Um die puzzolanische Reaktivität zu beurteilen, wurden Kalkbindungsversuche durchgeführt. Die Kalkbindung der SFA war geringere als die der künstlich hergestellten Gläser, was mit dem geringeren Glasgehalt zusammenhängt. Die Ergebnisse der Kalkbindungsversuche korrelierten nicht mit den Ergebnissen aus den Lösungsversuchen, da die Sättigung mit Calcium die Wirksamkeit der Additive auf das Glas reduzierte. Durch die Versuche wurde außerdem deutlich, dass bedingt durch die Sulfate der SFA, die Zugabe von Zitronensäure oder Natriumgluconat zu vergleichsweise höheren Kalkbindungen führte, als das bei den sulfatfreien Gläsern der Fall war.

Durch Wärmeflussmessungen konnte der Zeitpunkt der Hydratation flugaschehaltiger Zemente ermittelt werden, auf den die Additive Einfluss haben. Demnach wurde die Ettringitbildung im Anschluss an das zweite Maximum des Wärmeflusses durch die Additive intensiviert. Gesteigerte Wärmeflussraten von quarzmehlhaltigen Zementen durch Additive wurden einer dispergierenden Wirkung zugeschrieben, die jedoch noch nicht bewiesen wurde.

Übertragen auf flugaschehaltige Mörtel wurde vor allem durch TEA eine Steigerung der Frühfestigkeit erreicht, die auf die Wirkung mit der Flugasche zurückzuführen ist. Durch Untersuchungen mit Kaliumsulfatzugabe wurde eine Interaktion der organischen Additive mit den Sulfaten beobachtet. Dies wurde durch Ergebnisse aus der Kalkbindung und den Porenlösungsanalysen bestätigt.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Manuel Göbel, Dr.-Ing. Liudvikas Urbonas

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft, 10.2009 bis 10.2011