Bindung durch gezielte Carbonatisierung D. Heinz, L. Urbonas

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Pamela Pohl
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1 Bindung durch gezielte Carbonatisierung

2 Motivation Natürliche Carbonatisierung negative Einflüsse auf Betoneigenschaften: Korrosion der Stahlbewehrung Carbonatisierungsschwinden Gezielte Carbonatisierung mögliche positive Einflüsse: Verbesserung der mechanischen Eigenschaften Kurzfristige Erzielung von Produkteigenschaften Vermeidung unerwünschter Reaktionen mit Alkalien Bindung von umweltrelevantem CO 2

3 CO 2 Behandlung während der Betonherstellung Injektion des CO 2 während der Betonherstellung Bildung von Calciumcarbonat-Nanopartikeln als Keime für die Bildung weiterer Hydratationsprodukte Höhere Frischbetontemperaturen Steiferer Frischbeton Ähnliche Frühfestigkeiten Bis zu 19 % höhere 28d-Festigkeiten CO 2 -Verbrauch ca. 1,5 M.-% von Zement Quellen: Monkman, S., MacDonald, M., Kenward, P., Dipple, G.: The Effect of In-Situ Development of Nano-Calcium Carbonate On Industrial Concrete. Fifth International Symposium on Nanotechnology in Construction,

4 CO 2 Behandlung von Holzbeton Behandlung in CO 2 -reicher Atmosphäre (25 bis 100 % CO 2 ) unter Atmosphärendruck Behandlung im überkritischen CO 2 Beschleunigung des Erstarrens und Erhärtens durch exotherme Carbonatisierungsreaktionen Eliminierung der verzögernden Wirkung der löslichen Holzbestandteile Erhöhung der Biegezugfestigkeiten von zementgebundenen Holzspanplatten Quellen: Hermawan, D., Hata, T., Umemura, K., Kawai, S., Nagadomi, W., Kuroki, Y.: Rapid production of high-strength cement-bonded particleboard using gaseous or supercritical carbon dioxide. J. Wood Sci., Vol. 43, 2008, pp Qi, H.C., Cooper, P.A., Wan, H.,: Effect of carbon dioxide injection on production of wood cement composites from waste medium density fiberboard (MDF). Waste Management 26(5), 2006 pp Na, B., Wang, Z., Wang, H., Lu, X: Wood - cement compatibility review. WOOD RESEARCH, 59 (5), 2014, pp

5 Solidia Cement Vergleich mit Portlandzement Zementherstellung Identische Rohstoffe Andere Verhältnisse der Rohstoffkomponenten (geringere Kalksteingehalte) Identische Brennanlagen (Drehrohrofen) Hauptkomponente des Klinkers - Wollastonit (CS) statt Alit (C 3 S) Sehr schnelle Abkühlung des Klinkers ist nicht notwendig 30 % niedrigere Brenntemperatur 30 % niedrigere CO 2 Emission Keine Gipszugabe bei der Klinkermahlung Quellen: Atakan, V., Sahu, S., Quinn, S., Hu, X., DeCristofaro, N.: Why CO 2 matters advances in a new class of cement. ZKG, Nr. 3, 2014, pp

6 Vergleich Solidia Cement - Portlandzement Herstellung von Betonfertigteilen Konventionelle Mischanlagen, Mischprozedur und Formgebung Behandlung in CO 2 reicher Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 20 und 60 C Die Behandlungstemperatur ist nicht auf 60 C begrenzt Behandlungsdauer zwischen 6 und 24 h (abhängig von der Bauteildicke) Druckfestigkeiten bis 70 MPa, Biegezugfestigkeiten bis 8 MPa erreichbar Dauerhaftigkeit analog zu Betonen mit CEM I bis zu 300 kg CO 2 /t Zement wird gebunden Quellen:

7 Solidia Cement - Produkte Quelle:

8 CO 2 - Phasendiagramm Temperatur und Druck steigen p [bar] 1000 fest flüssig überkritisch Überkritischer Zustand Tripelpunkt T 3 gasförmig kritischer Punkt T k Quelle: T [ C]

9 Überkritisches CO 2 - Eigenschaften Vereint die Eigenschaften von Flüssigkeit und Gas: Rel. hohe Dichte (vergleichbar mit leichten organischen Flüssigkeiten) Hohes Lösevermögen für andere Stoffe (polares Lösungsmittel) Niedrige Viskosität Gute Benetzungseigenschaften O C O

10 Portlandzemente Bestandteile und Eigenschaften Zement C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Na 2 O eq Spez. Oberfläche M.-% cm²/g C1 CEM I 32,5 R 56,6 11,3 6,6 12,6 1, C1A CEM I 42,5 R 57,5 13,7 8,8 11,8 1, C1B CEM I 52,5 R 57,0 13,7 8,7 9,2 1, C2 CEM I 32,5 R 45,7 23,7 8,7 8,7 0, C3 CEM I 32,5 R 56,0 15,6 9,1 7,1 0, C4 CEM I 32,5 N SR0 48,3 22,1 1,3 18,7 0,

11 Probenherstellung, Vorlagerung, Behandlung Zementsteinprismen 4x4x16 cm³ mit w/z-wert von 0,5 Mörtelprismen 4x4x16 cm³ mit w/z-wert von 0,5 Vorlagerung 24 h bei 20 C und >95% r.f., dann 1 d bei 20 C und 65 % r.f. anschließend bis zum Alter von 14 d bei 20 C und 35% r.f. Behandlung in scco 2 bei 50 C und 150 bar, 4 und 24 h Temperatur [ C] Druck Temperatur Paste Mörtel Dauer [min] Druck [bar]

12 Anlage für die CO 2 -Behandlung

13 Carbonatisierungstiefe Einfluss der Restfeuchte Mörtelprismen 4x4x16 cm³, scco 2 -Behandlung 4h bei 50 C und 150 bar Carbonatisierungstiefe [mm] Vorlagerung 14d 7d 1d C1 CEM I 32,5 R C1B CEM I 52,5 R Restfeuchte [M.-%]

14 Carbonatisierungstiefe - Zementeinfluss Mörtelprismen 4x4x16 cm³, scco 2 -Behandlung 4h bei 50 C und 150 bar Carbonatisierungstiefe [mm] Festigkeitsklasse Alkaligehalt C 3 A-Gehalt C1 C1A C1B C2 C2_NaOH C3 C4 Portlandzement

15 Carbonatisierungstiefe rel. Druckfestigkeit 300 scco 2 -Behandlung 4h bei 50 C und 150 bar Probenalter 14 d C4 Rel. Druckfestigkeit [%] C1B C2_NaOH C1A C3 C1 C Carbonatisierungstiefe [mm]

16 scco 2 -Behandlung Mörtel-Druckfestigkeiten scco 2 -Behandlung 4h bei 50 C und 150 bar Ref. nach scco2-behandlung 28 d nach DIN EN Druckfestigkeit [MPa] N/mm² 10 0 C1 C1_Cc C1A C1B C2 C2_NaOH C3 C4 Zement

17 scco 2 -Behandlung Mörtel-Biegezugfestigkeiten scco 2 -Behandlung 4h bei 50 C und 150 bar 14 Ref. nach scco2-behandlung 28 d nach DIN EN Biegezugfestigkeit [MPa] N/mm² 0 C1 C1_Cc C1A C1B C2 C2_NaOH C3 C4 Zement

18 Variierte CO 2 -Behandlung Mörtel-Druckfestigkeiten Proben mit Zement C1 120 Ref. direkt nach Behandlung + Wasselagerung + Klimalagerung 20 C/65r.F. Druckfestigkeit [MPa] N/mm² 28 d Festigkeit nach DIN EN h 150bar 24h 150bar 4h 50bar 24h 50 bar

19 scco 2 -Behandlung - Porosität Mörtelproben mit Zement C4 0,1 Porosität [Vol.-%]: Ref. Kumulative Intrusion [ml/g] 0,08 0,06 0,04 0,02 18,36 11,32 10,41 scco2 4h 150 bar scco2 4h 150 bar + Wasserlagerung 199 N/mm² 0 0,001 0,01 0, Porendurchmesser [µm]

20 scco 2 -Behandlung Phasenbestand, röntgenografisch C1_Ref. C2_Ref. C1_Carb. C2_Carb. Gehalt [M.-%] Bestandteile

21 scco 2 -Behandlung Gefüge im REM Zementstein mit C1 und w/z = 0,5 Anschliff, Rückstreuelektronen C 2 S, C 3 S CaCO 3 C-S-H Ca(OH) 2 SiO 2 xh 2 O C 2 S, C 3 S C 4 AF Vor der Behandlung Nach 4 h Behandlung in scco 2 bei 50 C und 150 bar

22 scco2-behandlung Gefüge im REM Mörtel mit C1 Bruchflächen, Sekundärelektronen CaCO3 SiO2 xh2o C-S-H CaCO3 SiO2 xh2o Nach 4 h Behandlung in scco2 bei 50 C und 150 bar Nach 4 h Behandlung in scco2 und 14 d Lagerung in Wasser

23 Zementstein 29 Si-NMR-Spektroskopie Zementstein mit C1 und w/z = 0,5 Referenz Q 0 Nach 4 h scco 2 - Behandlung und 14 d Wasserlagerung 233 N/mm² 200 N/mm² Q 1 Q 2 Q 3 Q N/mm² Nach 4 h scco 2 - Behandlung 199 N/mm² -50 : : (ppm)

24 Zusammenfassung Carbonatisierungsgeschwindigkeit: abhängig von w/z-wert, Zementzusammensetzung und Zementsteinfeuchte Deutliche Reduzierung der Porosität und Erhöhung der Druckfestigkeiten über die Normfestigkeiten hinaus Einfluss auf Biegezugfestigkeit: von der Art der Gesteinskörnung abhängig Erhöhung der Festigkeiten bei weiterer Lagerung in Wasser und bei 20 C/65 % r.f. scco 2 -Reaktionen: vollständige Carbonatisierung der C-S-H-, Afm- und Aft-Phasen und teilweise der unhydratisierten silikatischen Klinkerminerale - Bildung von allen drei CaCO 3 -Modifikationen und eines hochvernetzten Silikagels Fortschreitende Hydratation und puzzolanische Reaktionen während der weiteren Lagerung Bindung von umweltrelevantem CO 2 Mögliche Anwendungen: Zementgebundene Bauplatten - frei von Carbonatisierungsschwinden, Holzbeton, Betonwaren und -fertigteile

25 Ausblick Eigenschaften carbonatisierter Mörtelproben während einer Langzeitlagerung (weitere Hydratationsreaktionen, Stabilität der CaCO 3 -Modifikationen) Verwendung von CEM II Zementen Optimierung der Vorbehandlung unter Berücksichtigung der Praxisrelevanz Optimierung der Behandlungsparameter mit scco 2 Carbonatisierung von glasfaserbewehrten, zementgebundenen Bauplatten

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