Bindung durch gezielte Carbonatisierung
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
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: http://carboncure.com/technology 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, 2015 http://carboncure.com/wpcontent/uploads/2015/05/nicom5_monkman-and-macdonald.pdf
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. 3101-3111 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. 509-515 Na, B., Wang, Z., Wang, H., Lu, X: Wood - cement compatibility review. WOOD RESEARCH, 59 (5), 2014, pp. 813-826
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: http://solidiatech.com/ http://solidiatech.com/wp-content/uploads/2014/02/solidia-cement-white-paper-12-17-13-final.pdf http://solidiatech.com/wp-content/uploads/2014/02/solidia-concrete-white-paper-final-2-19-14.pdf 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. 60-63
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: http://solidiatech.com/wp-content/uploads/2014/02/solidia-cement-white-paper-12-17-13-final.pdf http://solidiatech.com/wp-content/uploads/2014/02/solidia-concrete-white-paper-final-2-19-14.pdf http://solidiatech.com/
Solidia Cement - Produkte Quelle: http://solidiatech.com/wp-content/uploads/2014/02/solidia-concrete-white-paper-final-2-19-14.pdf
CO 2 - Phasendiagramm Temperatur und Druck steigen p [bar] 1000 fest flüssig überkritisch Überkritischer Zustand 100 10 1 Tripelpunkt T 3 gasförmig kritischer Punkt T k Quelle: 10-1 http://www.chem.leeds.ac.uk/people/cmr/criticalpics.html -100-50 0 50 100 T [ C]
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
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 1,02 3200 C1A CEM I 42,5 R 57,5 13,7 8,8 11,8 1,06 4000 C1B CEM I 52,5 R 57,0 13,7 8,7 9,2 1,06 5000 C2 CEM I 32,5 R 45,7 23,7 8,7 8,7 0,56 3250 C3 CEM I 32,5 R 56,0 15,6 9,1 7,1 0,83 2650 C4 CEM I 32,5 N SR0 48,3 22,1 1,3 18,7 0,67 3600
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] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Druck Temperatur Paste Mörtel 0 100 200 300 Dauer [min] 400 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Druck [bar]
Anlage für die CO 2 -Behandlung
Carbonatisierungstiefe Einfluss der Restfeuchte Mörtelprismen 4x4x16 cm³, scco 2 -Behandlung 4h bei 50 C und 150 bar Carbonatisierungstiefe [mm] 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Vorlagerung 14d 7d 1d C1 CEM I 32,5 R C1B CEM I 52,5 R 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Restfeuchte [M.-%]
Carbonatisierungstiefe - Zementeinfluss Mörtelprismen 4x4x16 cm³, scco 2 -Behandlung 4h bei 50 C und 150 bar Carbonatisierungstiefe [mm] 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Festigkeitsklasse Alkaligehalt C 3 A-Gehalt C1 C1A C1B C2 C2_NaOH C3 C4 Portlandzement
Carbonatisierungstiefe rel. Druckfestigkeit 300 scco 2 -Behandlung 4h bei 50 C und 150 bar Probenalter 14 d C4 Rel. Druckfestigkeit [%] 250 200 150 100 C1B C2_NaOH C1A C3 C1 C2 50 10 12 14 16 18 20 22 Carbonatisierungstiefe [mm]
scco 2 -Behandlung Mörtel-Druckfestigkeiten 90 80 scco 2 -Behandlung 4h bei 50 C und 150 bar Ref. nach scco2-behandlung 28 d nach DIN EN 196-1 Druckfestigkeit [MPa] 70 60 50 40 30 20 199 N/mm² 10 0 C1 C1_Cc C1A C1B C2 C2_NaOH C3 C4 Zement
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 196-1 Biegezugfestigkeit [MPa] 12 10 8 6 4 2 199 N/mm² 0 C1 C1_Cc C1A C1B C2 C2_NaOH C3 C4 Zement
Variierte CO 2 -Behandlung Mörtel-Druckfestigkeiten Proben mit Zement C1 120 Ref. direkt nach Behandlung + Wasselagerung + Klimalagerung 20 C/65r.F. Druckfestigkeit [MPa] 100 80 60 40 199 N/mm² 28 d Festigkeit nach DIN EN 196-1 20 0 4h 150bar 24h 150bar 4h 50bar 24h 50 bar
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 0,1 1 10 100 1000 Porendurchmesser [µm]
scco 2 -Behandlung Phasenbestand, röntgenografisch 60 50 C1_Ref. C2_Ref. C1_Carb. C2_Carb. Gehalt [M.-%] 40 30 20 10 0 Bestandteile
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
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
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 4 233 N/mm² Nach 4 h scco 2 - Behandlung 199 N/mm² -50 : : -60-70 -80-90 (ppm) -100-110 -120-130
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
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