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Systematische mikroskopische Untersuchung der Abbindeprozesse in flugstaubhaltigen Betonen

gefördert durch die Arbeitsgemeinschaft Elektronenoptik (AEO) 2007-2009

[Cryo-REM, SE]
Flugstaubkugel nach 10,5 Stunden Abbindezeit in einem CEM II 32,5
Die Oberfläche des Flugstaubs zeigt keine Ätzspuren, aber dient als Kristallisationsfläche für Calciumsilikathydrate

Nachdem durch das abgeschlossene Projekt zur Frühentwicklung der Betonmatrix ein einheitliches Verständnisbild über die wahren Zusammenhänge von den ersten Keimbildungsprozessen bis zur späteren Eigenschaftsentwicklung als gesichert angesehen werden kann, steht die Beantwortung einiger Fragen zur Beeinflussung der Betonmatrixentwicklung durch die Verwendung von Flugstaub noch aus. Mit Hilfe dieses Vorhabens sollten u. a. Fragen nach der Wirksamkeit einer (zeitweise verbotenen) Wärmebehandlung von Flugstaubbeton, der umstrittenen puzzolanen Wirkung von Flugstäuben, der Gefügeverbesserung durch verminderten Wasseranspruch, der Dauerhaftigkeitssteigerung durch rissbremsende Wirkung der Flugstaubpartikel im Gefüge und der vermutlich anders zu erwartenden Zement-Phasenbildung beantwortet werden.

Seit etwa 40 Jahren werden Elektrofilterstäube aus Steinkohlekraftwerken zur Betonherstellung in großem Maßstab erfolgreich eingesetzt, begleitet von wechselnden Vorschriften, die nicht immer mit den mikroskopisch kontrollierbaren Entwicklungen des Portlandzement-Matrixgefüges (PZ) in Einklang zu bringen sind.

Flugstaub-haltige Betone sind bezüglich unkontrollierbarer Inhomogenitäten im Matrixgefüge weniger anfällig, da der Raum zwischen den Schlackeglaskugeln lange durchgängig bleibt und daher das Abweichen vom optimalen Wasserbedarf weniger negative Auswirkungen auf die Matrixentwicklung nach sich zieht als bei Flugstaub-freien Bindemitteln.
Flugstaub-haltige Frischbetone bleiben meist länger verarbeitbar; sie bilden auch besser pumpfähige Mischungen.
In der Flugstaub-haltigen Matrix bilden die Schlackeglaskugeln eine ausgedehnte heterogene Keimfläche für die Bildung nanometerfeiner Portlandit-Kristalle, die dann später mit Silikat-Ionen der umgebenden Porenlösung vollständig zu Calciumsilikathydrat (CSH) reagieren. Dazu bedarf es keiner puzzolanischen Reaktion mit dem Schlackeglas des Flugstaubs!

Anders als bei den Zement-Klinkerkörnern beobachtet man senkrecht zur Oberfläche des Schlackeglases sehr dünne, saubere, kristalline CSH-Fasern, die jedoch nicht “puzzolanisch“ aus dem Schlackeglas herauswachsen, sondern auf einer nanometerdünnen KASH-Membran (“Kalium-Aluminium-Silikat-Hydrogel“) (Scholz & Blaschke, 2/1994) (“oberflächlich“) gebildet werden.
In wieweit das Si-(und Al-)reiche Schlackeglas der Flugstäube auch als Lieferant der erforderlichen Kieselsäure für die puzzolanische CSH-Bildung dienen kann, ist noch unzureichend geklärt. Erste Ansätze gab es durch die Arbeiten von HÜTTL, der in Laborversuchen nachgewiesen hat, unter welchen Umständen an einer Schlackeglasoberfläche eine puzzolanische Reaktion ablaufen kann. Der mikroskopische Nachweis im realen Gefüge eines Flugstaubbetons steht allerdings noch aus.
KASH ist nach H. Scholz und R. Blaschke (2,1994) das Reaktionsprodukt aus den gelösten Bestandteilen des Portlandzementes mit der Oberfläche des Schlackeglases, das im wesentlichen aus K-haltigem Alumosilikatglas besteht. Dementsprechend bildet sich als Reaktionsprodukt K-haltiges Alumosilikat-Hydrogel und zwar topochemisch auf der Glasoberfläche der Flugstaub-Teilchen.
Die Dicke der KASH-Schicht liegt im Submikron-Bereich! Sie ist sehr stabil und chemisch ähnlich zusammengesetzt wie Mikroklin, ein “Tieftemperatur„-Alkalifeldspat, im Gestein häufig mit SiO2 verwachsen!
 

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