Beton gegen den Klimawandel?

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Stefan Adenauer
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1 Beton gegen den Klimawandel? Gezielte Karbonatisierung von rezyklierten Zuschlägen aus Beton Dipl.-Ing. Marko Seidemann Prof. Dr.-Ing. habil. Anette Müller Fachtagung Recycling R 10 Weimar, 22. /

2 2/23 Gliederung Einleitung Problem- und Zielstellung Karbonatisierungsvorgang Karbonatisierungsprodukte Modell zur Gefügeveränderung Versuchsapparatur Versuche und Ergebnisse Ausblick

3 3/23 Einleitung Quelle: DKRZ (Deutsches Klimarechenzentrum)

4 Ziele: Kohlendioxid im Beton dauerhaft binden Eigenschaften der rezyklierten Gesteinskörnung verändern Verringerung der Wasseraufnahme 4/23 Problem- und Zielstellung Zunahme der Rohdichte Verringerung des Kapillarporenanteils Kapillarporensystem Erhöhung der Druckfestigkeit gezielte Karbonatisierung rezyklierte Gesteinskörnung aus Betonbruch in den Bauprozess wieder einbinden (z.b. als Betonzuschlag)

5 5/23 Problem- und Zielstellung dauerhafte Bindung von CO 2 Vorteile der Wiederverwertung nachhaltiger Umgang mit natürlichen Ressourcen Schonung der Umwelt sparsamer Umgang von Deponieraum

6 6/23 Karbonatisierungsvorgang Hauptphasen der Karbonatisierung: 1.Phase: 2.Phase: Eindiffundieren des CO 2 in die Kapillarporen gleichzeitig löst sich das kristalline Calciumhydroxid Ca(OH) 2 im Porenwasser Ca(OH) 2 Ca OH - Lösen des Kohlendioxids CO 2 Porenwasser CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 CO H + 3.Phase: Reaktion zu Calciumcarbonat und Wasser Ca OH - + CO H + CaCO 3 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + H 2 CO 3 CaCO 3 + 2H 2 O 11 %-ige Volumenzunahme bei der Umsetzung von Ca(OH) 2 zu CaCO 3

7 7/23 Karbonatisierungsvorgang natürliche Atmosphäre Laboratmosphäre 0 bis 100 Vol.-% CO 2 0,038 Vol.-% CO 2 60 bis 80 % relative stark schwankende relative Luftfeuchtigkeit -20 C bis 40 C große Betonbauteile Karbonatisierung beschleunigen Luftfeuchtigkeit 20 C kleine Partikelgrössen Wurzel Zeit Gesetz beschreibt den zeitlichen Verlauf der Karbonatisierung y 2D( c0 c) = mo Karbonatisierungs koeffizient k t = k t

8 8/23 Karbonatisierungsprodukte

9 Modell zur Gefügeveränderung Gefügedarstellung von einem hydratisierten und nicht karbonatisierten Portlandzementstein 9/23 große Kapillarporen kleine Kapillarporen Mikroporen Ca(OH) 2 Quelle: Erweiterung des Mindess-Young Modells durch T.A.Bier

10 Gefügedarstellung von einem hydratisierten und karbonatisierten Portlandzementstein 10/23 Modell zur Gefügeveränderung Kieselsäuregel CaCO 3 Quelle: Erweiterung des Mindess-Young Modells durch T.A.Bier

11 11/23 Versuchsapparatur - durchströmter Probenraum Kohlendioxid Druckluft

12 12/23 Versuchsapparatur - durchströmter Probenraum

13 13/23 Versuche und Ergebnisse Karbonatisierung von: Klinkerphasen C 2 S Dicalciumsilicat (Belit) C 3 S Tricalciumsilicat (Alit) Zementstein Modellbetonen Praxisbetonen

14 14/23 Versuche und Ergebnisse Karbonatisierung von Zementstein: CEM I 32,5R w/z 0,5 Partikelklasse 2/4 Karbonatisierung mit 20, 40, 60, 80, 100 Vol.-% CO 2 Karbonatisierungsdauer 3, 6, 12, 24, und 48 Stunden

15 15/23 Versuche und Ergebnisse Masse- und Dichtezunahme bei 20 Vol.-% CO Massezunahme Reindichte 20,98 23,43 2,58 2,70 2,60 Massezunahme [M.%] ,28 2,29 2,39 7,70 2,50 14,44 2,53 2,50 2,40 2,30 Dichte [g/cm³] 5 3,68 2, Zeit [h] 2,10

16 16/23 Versuche und Ergebnisse Porenradienverteilung vor und nach der Karbonatisierung Differentielles Porenvolumen [ml/g] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 nicht karbonatisiert karbonatisiert scheinbare Dichte [g/cm³] Porosität [%] nicht karbonatisiert 1,37 35 karbonatisiert 1, ,05 0,001 0,01 0, Porenradius [µm]

17 Thermische Analyse vor der Karbonatisierung (236,4 mg Zementstein) 17/23 Versuche und Ergebnisse 18,82 mg H 2 O 13,81 mg H 2 O 5,65 mg CO 2 29,1 % Ca(OH) 2 6,6 % CaCO 3 Quelle: BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung

18 18/23 Versuche und Ergebnisse Thermische Analyse nach der Karbonatisierung (20 Vol.-% CO 2 ) (297,2 mg Zementstein) 17,39 mg H 2 O 5,68 mg H 2 O 18,82 mg H 2 O 66,37 mg CO 2 11,4 % Ca(OH) 2 73,4 % CaCO 3 29,1 % Ca(OH) 2 6,6 % CaCO 3 Quelle: BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung

19 19/23 Versuche und Ergebnisse w/z - Wert Massezunahme Rohdichtezunahme Karbonatisierungsdauer ca. 23 M.-% ca. 20 % Verringerung des Ca(OH) 2 Gehaltes Anstieg des CaCO 3 Gehaltes ca. 60 % ca. 11-fach

20 20/23 Ausblick nächste Schritte: Versuche an Modell- und Praxisbetonen Versuche an Körnungen von Abbruchbetonen Versuchsbedingungen variieren (Temperatur erhöhen) Laborergebnisse im technischen Maßstab nachweisen Entwicklung einer technischen Anlage Betreiben einer Anlage im normalen Produktionsablauf

21 21/23 Ausblick Beton gegen Klimawandel? Steinour Formel: CO 2 Gehalt in % = 0,785(CaO 0,7 SO 3 ) + 1,091 MgO + 1,42 Na 2 O + 0,935 K 2 O = ca. 50% 50 g CO 2 /100 g PZ 1 m³ Beton 300 kg PZ 150 kg CO 2 /m³ Beton CO 2 Ausstoss ca.200 g/km 150 kg CO 2 auf 750 km 1 m³ Beton 750 km

22 22/23 Ausblick Beton gegen Klimawandel? Steinour Formel: CO 2 Gehalt in % = 0,785(CaO 0,7 SO 3 ) + 1,091 MgO + 1,42 Na 2 O + 0,935 K 2 O = ca. 50% 50 g CO 2 /100 g PZ 1 m³ Beton 300 kg PZ 150 kg CO 2 /m³ Beton CO 2 Ausstoss ca.200 g/km 150 kg CO 2 auf 750 km 1 m³ Beton 750 km Quelle: Fachtagung Recycling R`07 (Dipl.-Ing. Thomas Schnellert)

23 23/23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! gefördert durch

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