Analysis of the hydration heat evolution in cements incorporating construction waste powders by examining phase changes

Beton ist der am weitesten verbreitete Baustoff der Erde, eine Mischung aus Sand, Wasser und einem bindenden Pulver namens Zement. Wenn Wasser auf Zement trifft, beginnt eine chemische Reaktion, die die weiche Mischung in einen harten, steinähnlichen Feststoff verwandelt. Dieser Prozess, bekannt als Hydratation, setzt Wärme frei. In massiven Bauwerken wie Dämmen oder Fundamenten von Hochhäusern kann sich diese Hitze auf gefährliche Werte aufbauen, was dazu führt, dass der Beton beim Abkühlen reißt. Um dies zu bewältigen, suchen Ingenieure oft nach Wegen, die Reaktion zu verlangsamen oder die insgesamt erzeugte Wärme zu reduzieren. Gleichzeitig produziert die Bauindustrie riesige Mengen an Abfall, darunter zerkleinerte Ziegel, alte Fliesen und Bruchstücke von abgerissenem Beton. Während die großen Brocken dieses Schutts oft zu neuem Kies recycelt werden, wird das feine, staubige Pulver, das beim Zerkleinern entsteht, häufig entsorgt. Forscher untersuchen nun, ob dieses feine Abfallpulver einen Teil des Zements in neuem Beton ersetzen kann, wodurch ein Entsorgungsproblem in eine nützliche Ressource verwandelt wird, die auch die chemische Reaktion abkühlt.

Ein Wissenschaftsteam in Algerien unternahm den Versuch, diese Idee mit drei spezifischen Arten von Bauabfällen zu testen: Pulver aus recycelten Keramikfliesen, Pulver aus recycelten Ziegeln und Pulver aus recyceltem Beton. Sie erstellten eine Reihe von Mörtelmischungen, die dem Beton ähnlich sind, aber nur feinen Sand verwenden. In ihren Experimenten ersetzten sie in jeder Mischung 10 %, 20 % und 30 % des Standardzements durch eines dieser Abfallpulver. Sie platzierten diese Mischungen anschließend in einen speziellen isolierten Behälter, der darauf ausgelegt war, die Temperaturänderungen zu messen, während die Materialien aushärteten. Durch die Verfolgung der Menge der freigesetzten Wärme und der Geschwindigkeit, mit der diese abgegeben wurde, konnten die Forscher den gesamten Lebenszyklus der chemischen Reaktion ab dem Moment der Wasserzugabe abbilden.

Die Ergebnisse zeigten, dass das Hinzufügen dieser Abfallpulver das Verhalten des Zements signifikant veränderte. In jedem Fall, in dem der Zement ersetzt wurde, sank die gesamte über fünf Tage freigesetzte Wärmemenge. Je mehr Pulver sie hinzufügten, desto weniger Wärme wurde produziert. Als sie 30 % des Zements durch recyceltes Betonpulver ersetzten, betrug die gesamte freigesetzte Wärme nur etwa 70 % dessen, was eine Standardmischung produzieren würde. Diese Reduktion ist besonders wertvoll für das Bauen in heißen Klimazonen, in denen übermäßige Hitze die Struktur beschädigen kann, bevor sie vollständig ausgehärtet ist. Über die Reduzierung der Gesamtwärme hinaus verlangsamten die Abfallpulver auch die Geschwindigkeit der Reaktion. Der Moment, in dem die Wärmefreisetzung ihren Höhepunkt erreichte – der Punkt der intensivsten chemischen Aktivität – wurde im Vergleich zu gewöhnlichem Zement um zwei bis drei Stunden verzögert. Diese Verzögerung gibt den Arbeitern mehr Zeit, den Beton zu gießen und zu formen, bevor er zu beginnen, fest zu werden.

Die Forscher untersuchten auch die verschiedenen Stadien der chemischen Reaktion genau, um zu verstehen, warum diese Veränderungen auftraten. Sie fanden heraus, dass die Art des Abfallpulvers entscheidend war. Das recycelte Keramikpulver, das sehr fein ist, verkürzte die anfängliche Keimbildungs- und Wachstumsphase der Reaktion, während die Ziegel- und Betonpulver diese Phase verlängerten. Unabhängig von der Art des Pulvers wurde der Wärmefluss-Höhepunkt jedoch für alle Mischungen um 2 bis 3 Stunden verzögert. Die Studie zeigte, dass die Reaktion eine Abfolge von Ereignissen beinhaltet: Zuerst bilden und wachsen neue Kristalle; dann interagieren diese Kristalle mit den verbleibenden Zementkörnern; und schließlich verlangsamt sich die Reaktion, da Ionen durch das erstarrende Material wandern müssen, um neue Reaktionsorte zu finden. Die Abfallpulver veränderten den zeitlichen Ablauf dieser Schritte. Beispielsweise verlängerten die Ziegel- und Betonpulver die anfängliche Kristallwachstumsphase, während das Keramikpulver die abschließende, langsame Diffusionsphase wesentlich dominanter machte.

Letztlich bestätigt die Studie, dass diese Feinanteile von Bauabfällen nicht bloß inerte Füllstoffe sind, sondern aktive Bestandteile, die das Verhalten von Zement verändern. Die Abfallpulver besitzen Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, am Aushärtungsprozess teilzunehmen, wodurch ein Material entsteht, das chemisch aktiv ist, aber weniger Wärme erzeugt. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Verwendung von bis zu 30 % dieser recycelten Pulver eine praktikable Strategie zur Herstellung nachhaltigerer Baumaterialien ist. Durch die Reduzierung der bei der Konstruktion erzeugten Hitze könnten diese Mischungen dazu beitragen, Risse in großen Strukturen zu verhindern, während sie gleichzeitig Tonnen von Abfall von Deponien fernhalten. Die Forschung liefert ein klares Bild davon, wie diese Materialien funktionieren, und bietet einen praktischen Weg auf, um die Bauindustrie effizienter und weniger umweltschädlich zu gestalten.