Strukturierung von zementhaltigen Pasten im Frühstadium

Beton ist allgegenwärtig er prägt unsere Häuser, Büros und die Straßen, auf denen wir gehen dank seiner Stärke und Vielseitigkeit. Seinen Erfolg verdankt Beton vor allem seinem Hauptbestandteil, dem gewöhnlichen Portlandzement (OPC). Die weltweite Jahresproduktion beläuft sich auf rund 4 Milliarden Tonnen ein Ausmaß, das mit erheblichen CO2-Emissionen verbunden ist. Um diese Umweltproblematik anzugehen, wurden in den letzten Jahrzehnten zahlreiche alternative und nachhaltigere Baustoffe wie Flugasche, Hüttensand oder gebrannter/kalzinierter Ton verstärkt untersucht. Obwohl diese Alternativen vielversprechend in der Reduktion von CO2-Emissionen sind, bringen sie bei der Verarbeitung häufig Herausforderungen mit sich, etwa eine geringere Verarbeitbarkeit oder eine langsamere Festigkeitsentwicklung. Damit diese nachhaltigen Materialien praxistauglich werden, müssen sie zentrale Anforderungen erfüllen darunter gute Verarbeitbarkeit, Pumpfähigkeit, mechanische Festigkeit und Dauerhaftigkeit. Unsere Forschung zielt darauf ab, die Formulierung nachhaltiger Betone zu verbessern, indem wir die frühe Strukturbildung von Zementleimen untersuchen also jene Prozesse, die beim Kontakt des Pulvers mit Wasser einsetzen: Die Hydratation beginnt, erste Reaktionsprodukte entstehen, die das Abbinden ermöglichen und zur Entwicklung der mechanischen Festigkeit des Endprodukts beitragen. Die Untersuchung des frischen Zementleims sowohl bei klassischem Zement als auch bei nachhaltigen Alternativen liefert wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich Partikel auf der Nanoskala organisieren und im zeitlichen Verlauf interagieren. Zum Einsatz kommen dabei moderne Analysemethoden: (a) Kleinamplitudige oszillatorische Scherrheologie (SAOS) wird genutzt, um zeitabhängige Eigenschaften wie Elastizität und Verformbarkeit des entstehenden Partikelnetzwerks zu untersuchen. (b) Diffusionswellen-Spektroskopie (DWS) erlaubt es, die Dynamik der Partikelagglomeration und -vernetzung zu beobachten und dadurch Einblicke in die Kinetik des Abbindens zu gewinnen. Ergänzend werden Schrumpf-, Kriech- und Lichtstreumessungen durchgeführt, um die Flockung und Reorganisation des Partikelnetzwerks über Zeiträume von Sekunden bis Tagen nach dem Mischen zu verfolgen. Dieser Ansatz trägt dazu bei, die Entwicklung innerer Spannungen sowie die mögliche Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen besser zu verstehen ein zentraler Aspekt für die Langzeitbeständigkeit des Betons. Unser Ziel ist es, das Verhalten neuartiger, nachhaltiger zementartiger Materialien nach der Wasserzugabe zu bewerten. Im Fokus stehen dabei die Kohäsionskräfte zwischen den Partikeln, die Netzwerkbildung und deren zeitliche Entwicklung. Durch die Weiterentwicklung und Anwendung dieser methodischen Werkzeuge sollen die Eigenschaften von Zementleimen im frühen Alter gezielt gesteuert werden für eine nachhaltigere Zukunft des Bauens.