CONCERT-CCAir

Komponentenadditiv-Ansatz zur Vorhersage der Zementpasten-Rheologie unter Berücksichtigung von sekundären zementgebundenen Materialien und deren spezieller Effekt auf die Thixotropie sowie Beton Entlüftungsverhalten

SPP2005 DFG Förderung SCHA 1854/7-1

Laufzeit: März 2021‒2024

Projektleitung: Prof. Thorsten Schäfer

Bearbeitung: Steffen Hellmann, Frank Heberling, Johannes Lützenkirchen (beide KIT-INE) & Dr. Teba Gil Diaz

Kooperationspartner: LUH (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Haist) + BUW (Prof. Dr.-Ing. Horst Michael Ludwig)

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Beschreibung:

Das Verbund- Projekt " Komponentenadditiv-Ansatz zur Vorhersage der Zementpasten-Rheologie unter Berücksichtigung von sekundären zementgebundenen Materialien und deren spezieller Effekt auf die Thixotropie sowie Beton Entlüftungsverhalten (CONCERT-CCair)" im SPP 2005 "Opus Fluidum Futurum" ist ein gemeinsamer Antrag der Bauhaus-Universität Weimar (Prof. Dr.-Ing. Horst-Michael Ludwig), der Leibniz Universität Hannover (LUH; Prof. Dr.-Ing. Michael Haist), der Friedrich-Schiller-Universität Jena (Prof. Dr. habil. Thorsten Schäfer) und des Karlsruher Instituts für Technologie (Dr. Frank Heberling and Dr. Johannes Lützenkirchen). Eine enge Zusammenarbeit mit CONCERT-CCair und dem multi- und interdisziplinären SPP 2005 Konsortium mit Forschern aus Physik, Chemie, Materialwissenschaften, Bauingenieurwesen und Bergbau bietet einzigartige Voraussetzungen, um die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung in Anwendungen zu übertragen.

Eine der wesentlichsten Eigenschaften von Beton ist, dass er durch einfaches Gießen beliebig geformt werden kann. Das Ziel des Gießprozesses in diesem Zusammenhang ist (i) den Beton in die gewünschte Form zu bringen, was umfangreiche Kenntnisse über die rheologischen Eigenschaften des Betons erfordert, und (ii) unerwünschte Luftblasen aus dem Frischbeton zu entfernen. Während die Mechanismen und die Rheologie von Zementsuspensionen aus gewöhnlichem Portlandzement (OPC) bereits gut erforscht sind, mangelt es an Wissen über die Wirkung von sekundären zementgebundenen Materialien (SCMs). Diese Materialien spielen jedoch eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks von Beton. Die relevantesten und vielversprechendsten Alternativen für OPC sind kalzinierte Tone (CCs; siehe z. B. [1,2]) sowie Kalksteinpulver (LSP; siehe z. B. [3,4]) oder Kombinationen von beiden. Das erste Ziel des aktuellen Antrags ist es, den Einfluss der Hydration von CCs und LSPs auf die Partikelinteraktionen und Pastenrheologie zu erforschen. Die beiden genannten SCMs beeinflussen bekanntermaßen stark die Thixotropie [5] und damit das Entlüftungsverhalten von Beton, die als zweiten Ziel des Projekts untersucht werden. Für diese Forschungsschwerpunkte werden eine Reihe von Ansätzen zur Probencharakterisierung kombiniert (z. B. XRD, XRF, Kalorimetrie, SEM-EDX, BET, ICP-OES und spICP-MS), die Entwicklung von Oberflächenkomplexierungsmodellen (z. B. mittels AFM-Messungen und Zeta-Potential-Messungen) und die Quantifizierung der rheologischen Eigenschaften von Hydratationsprodukten und Zementsystemen (z. B. Rheometer, NMR und Vibrationstestsysteme).

Referenzen:

[1] Scrivener, K.; Martirena, F.; Bishnoi, S.; Maity, S. Calcined clay limestone cements (LC3). In: Cement and Concrete Research vol. 114, (2018), pp. 49–56.

[2] Trümer, A.; Ludwig, H.-M.; Schellhorn, M.; Diedel, R. Effect of a calcined Westerwald bentonite as supplementary cementitious material on the long-term performance of concrete. In: Applied Clay Science vol. 168, (2019), pp. 36–42.

[3] Heberling, F.; Bosbach, D.; Eckhardt, J.; Fischer, U. et al. Reactivity of the calcite–water-interface, from molecular scale processes to geochemical engineering. In: Applied Geochemistry vol. 45, (2014), pp. 158–190.

[4] Voglis, N.; Kakali, G.; Chaniotakis, E.; Tsivilis, S. Portland-limestone cements. Their properties and hydration compared to those of other composite cements. In: Cement and Concrete Composites vol. 27, (2005), No. 2, pp. 191–196.

[5] Nazário Santos, F.; Raquel Gomes de Sousa, S.; José Faria Bombard, A.; Lopes Vieira, S. Rheological study of cement paste with metakaolin and/or limestone filler using Mixture Design of Experiments. In: Construction and Building Materials vol. 143, (2017), pp. 92–103.

[6] Sannac S, Tadjiki S, Moldenhauer E (2013) Single Particle-ICP-MS – an outstanding way to characterize individual nanoparticles. In: Agilent eNewsletter. Available via: https://www.agilent.com/en/newsletters/accessagilent/2013/sep/nanoparticles. Accessed 16 Feb 2021

[7] Laborda F, Bolea E, Jiménez-Lamana J (2014) Single particle inductively coupled plasma mass spectrometry: a powerful tool for nanoanalysis. Anal Chem 86:2270–2278. https://doi.org/10.1021/ac402980q.