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Projekt Titel
SPP 2436: Microanalytical and microstructural investigations on hardening and carbonation behaviour of activated clay based materials
Startdatum
August 9, 2024
Enddatum
March 31, 2028
Gepris ID
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Aktivierte tonbasierte Materialien werden zukünftig wichtige und unverzichtbare Komponenten sowohl für calciumsilikatbasierte Bindemittel als auch für alkalisch aktivierte Bindemittel darstellen. Bei ihrer Herstellung wird kein durch den chemischen Prozess bedingtes CO2 frei. Das Forschungsprojekt nimmt sich daher vor Herstellungs-, Erhärtungs- und Carbonatisierungsprozesse dieser Komponenten in realitätsnahen Baustoffen beider Gruppen umfassend mikroanalytisch und mikrostrukturell zu untersuchen. Die Auswahl der tonbasierten Materialien orientiert sich an Zusammensetzungen, die zukünftig tatsächlich in großen Mengen für das Bauwesen zur Verfügung stehen werden. Bei der Aktivierung kommt sowohl die klassische Calcinierung, aber insbesondere auch die mechanochemische Aktivierung zum Einsatz, die bei realen Tongemischen Vorteile erwarten lässt. Entsprechende tonbasierte Materialien sollen als Puzzolan in einen LC3-Zement und als Träger von Aluminium und Silizium in ein Geopolymer eingebracht werden. Die Erhärtungsprozesse dieser Baustoffe sollen in-situ in einem sehr leistungsfähigen ESEM untersucht werden. Auch die Calcinierung soll in-situ im vorhandenen Hochtemperaturofen des Gerätes analysiert werden. Carbonatisierungsreaktionen sollen sowohl beim Erhärtungsprozess, als auch im erhärteten Material untersucht werden. Auch diese Prozesse sollen direkt im ESEM durch Einstellen einer H2O/CO2-Atmosphäre untersucht werden. Veränderungen der Atmosphäre können durch das im ESEM vorhandene Massenspektrometer auch analysiert werden. Zusammen mit rheologischen sowie phasen- und gefügeanalytischen Untersuchungen an makroskopischen Baustoffproben werden damit wesentliche Informationen zu den Herstellungs-, Erhärtungs- und Carbonatisierungsprozessen tonbasierter Komponenten in CO2-reduzierten Bindemitteln und Baustoffen gewonnen und für das Ziel des Net Zero Concrete zur Verfügung gestellt. Unterschiede zwischen den verschiedenen tonbasierten Materialien in den jeweiligen Bindemittelsystemen sollen herausgearbeitet werden und die Hypothese einer besseren Eignung der mechanochemischen Aktivierung untersucht werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen sollen dann Prinzipien für einen optimierten Einsatz verschiedener tonbasierter Materialien in calciumsilikatbasierten Systemen und in alkalisch aktivierten Systemen abgeleitet und für die Entwicklung CO2-reduzierter Bindemittel nutzbar gemacht werden. Die dafür vorgesehenen Arbeiten sind dem Modul 1 "Alternative and Carbon Neutral Binders" zuzuordnen, in geringerem Maße dem Modul 3 "Concrete Carbon Capture and Long-Term Carbon Sink". Das Projekt der TU Hamburg wird eine intensive Zusammenarbeit mit den anderen Gruppen suchen und für den gesamten SPP eine sehr leistungsstarke elektronenmikroskopische Technik zur Verfügung stellen.
Activated clay-based materials will serve as indispensable components for both calcium silicate-based and alkali-activated binders. They don’t emit any CO2 as a part of chemical processes during their production. This research project plans to investigate production, hardening and carbonation processes of these components in realistic building materials of both categories microstructurally as well as microanalytically. The clay-based materials are selected from compositions that can be available in large amounts for construction purposes in the future. Both classical calcination and especially mechanochemical activation, which we expect to offer some advantages, will be used in activation procedures. The clay-based materials will be used as a pozzolan in an LC3 cement and as a carrier of aluminum and silicon in a geopolymer. The hardening processes of these materials will be investigated in-situ in a powerful ESEM. Calcination will be studied also in-situ using the high-temperature heating stage of the device. Carbonation reactions will be investigated both during hardening and in the hardened material by creating a water/CO2 atmosphere in the ESEM. Compositional changes in the atmosphere can be analyzed using the mass spectrometer integrated in the ESEM. In conjunction with rheological, structural and phase analytical investigations on macroscale material samples, significant information on the production, hardening and carbonation processes of clay-based components in CO2-reduced binders and building materials will be gained and made available with regard to the goal of Net Zero Concrete. Differences between clay-based materials in the respective binder systems will be identified and the hypothesis that mechanochemical activation is preferable to calcination will be examined. Based on these results, we plan to derive principles for the optimized use of various clay-based materials in calcium silicate-based as well as alkali-activated systems and make these principles available for the design of CO2-reduced binders. The intended work is assigned to module 1 "Alternative and Carbon Neutral Binders" and, to a lesser extent, module 3 "Concrete Carbon Capture and Long-Term Carbon Sink". The project of Hamburg University of Technology will seek extensive cooperation with the other groups and provide powerful electron microscopy techniques for the entire priority program.