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Zementmineralogie

Zementmineralogie

Zemente sind unsere wichtigsten Baustoffe. Weltweit werden mehr als 2 Ma t / a gewöhnlicher Portlandzement (OPC) hergestellt. Der größte Teil wird in Betonen und bauchemischen Formulierungen verbraucht – beides sind komplexe Systeme aus anorganischen Zementkomponenten, Zuschlagstoffen und organischen Additiven. Mit Einsatz von organischen Additiven kann die Menge der verwendeten Zemente minimiert werden und somit Reduktion von Energie und CO2-Emission.

Die physikalischen Eigenschaften des ausgehärteten Zements werden stark von der Zusammensetzung der Zementminerale beeinflusst. Deren Wechselwirkung mit organischen Molekülen steht im Mittelpunkt unserer Untersuchungen. Das frühe Hydratationsverhalten mit in-situ-XRD-Analyse untersucht. Die Entwicklung des Phasengehalts der nano-skaligen Hydratationsprodukte wird zeitabhängig aufgezeichnet und quantitativ ausgewertet. Die Verknüpfung dieser Ergebnisse mit Daten der Wärmeflusskalorimetrie und Porenlösungsgehalten bildet die Grundlage für die Entwicklung neuer Modelle zur Wechselwirkung der organischen Additive mit den Zementphasen.

Dünnschliff eines OPC-Klinkers. Nach Ätzen der Oberfläche sind die Klinkermineralien deutlich zu unterscheiden.

 

 

Kristallstruktur von Ettringit.

 

Prof. Dr. F. Goetz-NeunhoefferProf. Dr. J. Neubauer, Dr. rer. nat. D. Jansen

 

Atomsonden-Tomographie der frühen Alithydratation

Portlandzementklinker (PZ) besteht aus mehreren hydraulischen Zementphasen. Die Hauptphase von PZ, Tricalciumsilikat (C3S), wird häufig als Modellsubstanz für die Portlandzementhydratation verwendet.
Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Untersuchung der frühen C3S-Hydratation. Beim Mischen von C3S mit Wasser findet eine kurze exotherme Reaktion statt. Daran schließt sich eine sogenannte „Induktionsperiode“ an, in der nahezu keine Wärme freigesetzt wird. Die Haupthydratationsperiode von C3S findet nach der Induktionsperiode statt (Abb. 1). Die Mechanismen, die zur Entwicklung dieser Einführungsphase führen, sind immer noch Gegenstand von Diskussionen. Eine Hypothese beschreibt eine verringerte Auflösungsrate von C3S während der Induktionsperiode. Eine andere Hypothese beschreibt eine passivierende metastabile Hydratschicht, die sich um die C3S-Körner bildet.
Das Hauptziel der Untersuchungen ist es zu klären, ob sich auf der C3S-Oberfläche eine solche passivierende Hydratschicht bildet. Zu diesem Zweck wurde die Atomsonden-Tomographie verwendet, um hydratisierte Proben von monokristallinem C3S zu analysieren. Weiterhin wird die Entwicklung des Phasengehalts während der Hydratation analysiert: a) Auflösung von C3S und b) die Bildung der Hydratationsprodukte Portlandit und C-S-H ein. Zusätzlich wurde die Porenlösung analysiert. Die verwendeten Methoden umfassen In-situ-QXRD, CP-MAS-NMR, ICP-OES, SEM, thermische Analyse und isotherme Wärmeflusskalorimetrie.
Die so erhaltenen Daten können zur Herleitung eines mathematischen Modells für die Hydratation von C3S eingesetzt werden.

Beispiel für die Wärmeflusskurve von Alit

Interaction of ordinary portland cement with polyvinyl alcohol

The research is focussed on the influence of different polyvinyl alcohols (PVA) and polymers on the hydration of ordinary portland cement (OPC). In praticular the change in dissolution rates of the hydrating cement phases alite, tricalcium aluminate and calcium sulfate are determined as well as the differences in the kinetics of the ettringite formation. Both parameters are of great importance for the understanding of the interaction between organic additves and the different inorganic cement phases. The influence of PVA and other polymers on the crystal morphology and the crystal structure of ettringite and monosulfate has to be observed experimental.

The calorimetric investiagtions of the OPC-PVA mixtures show that the length of the induction period and the time of the maximum heat flow (first and second maximum) are
influenced mainly by the PVA concentration and with less importance by the kind of the PVA. With the help of the in-situ XRD basic data on the time resolved hydration of OPC with respect to the differnet PVAs are collected. The refinement of the lattice parameters a and c of the ettringites which are formed up to 22 h of hydration yield a significant correlation with the dosage of the PVA.

 

Ettringite structure

 

Heat flow curves of OPC with PVA In-situ-XRD Plot of OPC pastes

 

Mikrodiffraktion von selbst-nivellierenden Bindemitteln

Selbstnivellierende Bindemittel werden meist dann verwendet, wenn glatte Bodenoberflächen erzeugt werden sollen. An das Material werden sehr hohe Anforderungen während der Applikation aber auch nach dem Erhärten gestellt. Physikalische Eigenschaften, wie z.B. Oberflächenbeständigkeit und Bodenhaftung, hängen stark von der Mikrostruktur im ausgehärteten Mörtel ab. Der Wassergehalt im flüssigen SLC weist starke Gradienten auf, die zu Inhomogenitäten im Mörtelbett führen können. Wir konzentrieren uns auf die Untersuchung der tiefenabhängigen Phasenverteilung, insbesondere der sich bildenden Hydrate. Mit Standard-Bragg-Brentano-Technik ist es nicht möglich, die gewünschte räumliche Auflösung zu erhalten. Ein Flächendetektor-Beugungssystem (GADDS) bietet die Möglichkeit, die Phasenzusammensetzung einer Ausgleichsmasse in-situ mit einer hohen Auflösung zu untersuchen. Über Kollimatoren und Göbelspiegel wird der Röntgenstrahl parallelisiert und fokussiert. Zusammen mit dem Vantec 500 Detektor kann die Phasenzusammensetzung innerhalb der wenigen mm dicken Schicht in Bereichen > 50 µm bestimmt werden. Die sogenannten GADDS-frames können in XRD-Diagramme konvertiert und mit der Rietveld-Methode ausgewertet werden. Unterschiede in der quantitativen Phasenverteilung nahe der Bodenoberfläche und nahe der oberen Oberfläche geben Auskunft über die Eigenschaften der Wasserreduktionsmittel in der Formulierung.

 

Querschnitt durch eine auf Fliese applizierte Schicht aus Spachtelmasse

 

General Area Detector Diffraction System

 

Probenhalter für in-situ XRD Analyse

 

GADDS Frame

 

Quantitative phase evolution during early Portland Cement hydration

At first contact with water the hydration of Ordinary Portland Cement (OPC) starts without delay. The hydrated phases which are formed determine the strength development of the  hardened cement. For basic understanding of the early hydration reactions the hardening of the cement is observed (Diffractometer equipped with SolX detector) and the time dependend phase content is determined by Rietveld-refinements. The change in phase content allows  evidence about the reaction mechanisms.

A custom made sample holder for the diffraction experiments allows the investigation of the hydrating cement pastes in a temperature range between 16°C and 37°C.  The temperature may be controlled very accurate with 0,2°C. Changes in temperatures lead to changes in hydration kinetiks, which give us the opportunity to  check  our evidences about the reaction mechanisms.

The investigations should help to understand the influence of additives (inorganic or organic) the the hydration of the cement. Concrete formulations as well as dry mortar systems may be improved by this new knowledge.

 

X-ray diffactometer with SolX detector

 

Temperature controlled sample stage

 

Time dependend portlandite evolution

 

Temperature depending heat evolution

Fast setting mortars based on mixes of white portland cement and calcium aluminate cement

The high demand for fast setting cements create a wide range of special products. The classic rapid setting mortar contains ordninary portland cement (OPC) besides calciumaluminate cement (CAC). The minor component CAC acts as an accelerator for the more slow reactive OPC. The demand for fast setting products is increasing especially the white qualitie which are containing white cement (WC) instead of OPC. A smooth and sufficient workability is as important as the early strength development.

The investigations are carried out with cements which are produced from synthesized lab made model clinkers. Special attention is paid to the sulfate carrier which controls the setting. The functionality of the synthetic cements is checked by in-situ XRD of the paste hydration and by calorimetric investigations. The aim is always to maximise the conformity of the synthetic cement and the technical product. The investigation of the influence of citric acid and the kind and the amount of Ca-sulfates (anhydrite II, anhydrite III and bassanite) on the hydration of WC/CAC mixtures are in focus of all experiments.

 

Diffractometer equipped with Vantec detector

 

Model for CAC hydration