Kalt härtende Keramik durch nanotechnologische Gefügeoptimierung
01.06.2009 bis 31.05.2012
Universität Kassel
Das Gesamtprojekt hatte zum Ziel, eine auf mineralischer Bindemittelmatrix hergestellte, nanotechnologisch optimierte "kalt härtenden Keramik" zu formulieren. Hierunter sind ungebrannte, d.h. bei Temperaturen <100°C erhärtende Betonteile und Beschichtungssysteme zu verstehen, die sich durch eine hohe chemische und mechanische Beständigkeit auszeichnen und keramikähnliche Eigenschaften besitzen.
Solche kalt härtenden Keramiken können in weitläufigen Anwendungen Ihren Einsatz finden, in denen heutige Betonsysteme nicht oder nur mit aufwändigen und teuren Schutzmaßnahmen verwendet werden können. Hierbei sind exemplarisch z.B. Anwendungen in der Tierzucht und -haltung, in Biogasanlagen oder in Kontakt mit aggressiven Abwässern zu nennen.
Dabei sollten sich kalt härtende Keramiken insbesondere auch dadurch auszeichnen, dass diese aufgrund der Herstellweise besonders Primär-energieschonend und Emissionsarm sind und darüber hinaus aufgrund der langen Lebensdauer besonders nachhaltige Baustoffe darstellen.
Der Schwerpunkt im Gesamtprojekt lag auf der Formulierung besonders hoch widerstandsfähiger nanotechnologisch optimierter mineralischer Feinmörtel für den Oberflächenschutz von Betonwaren und Bauwerken aus Normalbeton. Ausgehend von den Erkenntnissen die bei den Ultra-Hochfesten Betonen bereits bestehen, sollte die Gefügedichtigkeit solcher Systeme durch den Einsatz von optimierten Feinstpartikeln weiter erhöht werden. Dadurch sollte es zu einer weiteren Verbesserung in der Festigkeit und der Dauerhaftigkeit der untersuchten Systeme kommen.
Hierzu ist die gezielte Synthese und Bereitstellung von Nanopartikeln sowie darauf abgestimmter, neuartiger Fließmittel ein wichtiges Aufgabenpaket im Gesamtverbund, um die Packungsdichte des Betons oder Mörtelsystems bis in den Nanometerbereich hin zu optimieren.
Dabei wurden die Nanopartikel chemisch und verfahrenstechnisch optimiert, damit sie gezielt in die Baustoffmatrix eingebracht werden können. Diese nanotechnologisch optimierten Baustoffe sollten aufgrund der verbesserten Eigenschaften auch ein hohes Vermarktungspotential besitzen.
Durch die Zusammensetzung des Konsortiums der Projektpartner, wurde im Projekt die gesamte Wertschöpfungskette der betrachteten kalt härtenden Keramik abgedeckt. Ausgehend von den Herstellern der einzelnen Rohstoffe, über die Formulierer und Hersteller von Bauprodukten bis hin zu den Anwendern der fertigen Produkte.
Institut für konstruktiven Ingenieurbau
Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens u. Bauchemie
Mönchebergstraße 19, 34125 Kassel
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dietmar Stephan
T: +49-30-31472-100 | F: +49-30-31472-110
03X0067G
Die Aufgabenstellung der Universität Kassel im abgelaufenen Projekt waren übergeordnet die folgenden Ziele:
Das Ziel eines Teilprojektes der Universität Kassel war auf Basis der Ultrahochfesten Betone einen wirksameren Schutz gegen aggressive Wässer zu erreichen. Die Verwendung dieser Hochleistungsbetone, soll es ermöglichen die Beständigkeit gegenüber chemischen Beanspruchungen zu erhöhen. Der feinkörnige und fließfähige UHPC weist aufgrund seines sehr niedrigen w/z-Wertes und einer optimierten Kornzusammensetzung ein extrem dichtes und nahezu praktisch kapillarporenfreies Gefüge gegenüber Normalbetonen auf. Er zeichnet sich somit durch eine hohe Druckfestigkeit und eine sehr dichte, gegen äußere Einflüsse beständigere Oberfläche aus und bietet sich an, die Dauerhaftigkeit von Betonwaren in diesem Sektor zu erhöhen.
In einem zweiten Teilziel sollte bei der Bindemittelformulierung vollständig auf Portlandzementklinker als Anreger verzichtet werden und stattdessen die Bindemittelkomponenten alkalisch aktiviert werden. Neben dem Aspekt der Ressourcenschonung zeichnen sich bestimmte Formulierungen an reaktiven Feinstoffen mit alkalischen Anregern durch sehr hohe chemische Beständigkeit aus. Durch geeignete Wahl der Anreger (Wassergläser, Projektpartner Woellner) kann zusätzlich eine Verkieselung des Bindergefüges erreicht werden, was aufgrund eines geringen Porenvolumens zu einer zusätzlichen physikalischen Widerstandsfähigkeit führt.
Publikationen:
Präsentationen:
Weitere Publikationen:
-
Abt. GKI/P
Carl-Bosch-Straße 38, 67056 Ludwigshafen
Dr. Alexander Kraus
03X0067A
Die zum Zeitpunkt der Projektstarts existierenden kommerziell verfügbaren Betonfließmittel zeigten in den, im Rahmen dieses Projektes untersuchten portlandzementarmen bzw. -freien Bindemitteln, keine oder nur unbefriedigende Wirkung. Ziel des Arbeitspaketes der BASF war daher die Entwicklung neuartiger effizienter Fließmittel für die oben genannten Bindemittel. Im Vordergrund standen dabei die
Eine zielgerichtete Entwicklung von Fließmitteln ist nur dann praktikabel, wenn deren Wirksamkeit zeitnah und vor Ort evaluiert werden kann. Parallel zu der Synthese neuartiger Fließmitteltypen mussten daher seitens der BASF geeignete Bindemittelformulierungen und Testmethoden entwickelt werden.
-
Silikatlabor
Wöllnerstraße 2, 67065 Ludwigshafen
Dr. Joachim Krakehl
T: +49-621-5402-0 | F: +49-621-5402-300
03X0067B
Sowohl hinsichtlich der geforderten physikalisch chemischen Eigenschaften des ausgehärteten Gesamtsystems als auch hinsichtlich der benötigten Verarbeitungseigenschaften ist die Formulierung des alkalischen Aktivators/Anregers von größter Bedeutung.
Er stellt das Rückgrat und die entscheidende Stellschraube dar, da er sowohl als Aktivator für die verschiedenen reaktiven, silikatbasierten Füllstoffe dient als auch gleichzeitig selbst ein Bindemittel auf Basis der gelösten Silikatanteile darstellt. Die aktivierten Anteile im Bindersystem werden während der Gesamtreaktion mit den Bindemittelanteilen des Aktivators neu verknüpft und es werden entsprechend thermodynamischer Rahmenbedingungen optimierte Netzwerke ausgebildet.
Somit können theoretisch selbst kleinste Zwischenräume zwischen den Füllstoffpartikeln durch die neu verknüpften Netzwerke ausgefüllt werden, um hochstabile Werkstoffe zu bilden.
Im Rahmen der Formulierung des alkalischen Aktivators bei der Woellner GmbH & Co. KG wurden folgende Arbeitspakete durchgeführt:
-
Bernhard-Remmers-Str. 13, 49624 Löningen
03X0067C
Ziel der Remmers Baustofftechnik GmbH ist die fundierte materialwissenschaftliche Erforschung von Bindemittelsystemen für die Beschichtung chemisch stark beanspruchter Baustoffe. Die Formulierungen sollen überwiegend anorganisch basiert sein und deutliche Vorteile gegenüber den derzeit verwendeten Lösungsansätzen bieten.
Die Anwendungsmöglichkeit solcher Beschichtungen ist vielfältig und betrifft sowohl den Schutz neuer Bauwerke als auch den Bereich der Instandsetzung bereits geschädigter Bauwerke. Aufgrund des in Deutschland anstehenden enormen Investitionsbedarfs für die Sanierung der abwassertechnischen Infrastruktur liegt ein besonderer Schwerpunkt der Remmers Baustofftechnik GmbH in der Formulierung von Beschichtungssystemen für den Abwasserbereich.
-
Heinrichshall 2, 07586 Bad Köstritz
Dr. Thomas Pautzsch
T: +49-36605-81-240 | F: +49-36605-2345
03X0067D
Die Aufgabe der CWK GmbH im abgelaufenen Projekt bestand in der Entwicklung und Bereitstellung von geeigneten Silica- und Alumo-Silica-Quellen. Diese dienen als Rohstoff für die Formulierung von neuartigen Bindemittelsystemen auf Basis kalt härtender Keramik.
Die Arbeiten des CWK dienten als Grundlage für Arbeiten des ISC Würzburg. Ferner wurde zur Fließmittelentwicklung Zuarbeit geleistet.
Zur Verminderung der Porosität und Ausbildung chemisch stabilerer Phasen in Betonen/Keramiken (Erniedrigung des Ca-Gehaltes und Erhöhung des Al-Gehaltes) sind angepasste Nano- und Mikropartikel notwendig. Im Verlauf des Projektes wurde die mögliche, direkte Verwendung von Silicasolen bei der Bindemittelherstellung untersucht (Uni Kassel, FEhS).
-
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC)
Neunerplatz 2, 97082 Würzburg
Dr. Frank Hutter
frank.hutter(at)isc.fraunhofer.de
03X0067E
Ziel dieses Projekts war es, die mechanische und chemische Stabilität von Beton mit Hilfe von nanotechnologischen Mitteln zu verbessern. Ausgangspunkt ist ein UHPC, der vom Projektpartner Universität Kassel (UK) entwickelt wurde.
Der Arbeitsansatz ging davon aus, die Packungsdichte (PD) der festen Mörtelkomponenten zu variieren und die Auswirkungen auf die abgebundene Probe festzustellen. Durch eine Erhöhung der PD sollte sich die Porosität verringern und damit die Festigkeit erhöhen. Wenn dabei der Anteil an Kapillarporen (Durchmesser > 10 nm) gesenkt wird, die entscheidend zur Korrosionsanfälligkeit des Zementsteines beitragen, würde auch ein gegen chemischen Angriff (z. B. durch Sulfationen oder Säuren) stabilerer Beton resultieren.
In das Arbeitsprogramm des Fraunhofer ISC fielen Versuche, das Mikrosilika durch andere, z. B. synthetisch hergestellte, SiO2-Partikel mit variierter, aber definierter, möglichst monomodaler Korngößenverteilung zu ersetzen. Die Partikelgrößen müssen dafür im Bereich von 10 bis 1000 nm liegen.
Die Arbeiten des Fraunhofer ISC bestanden darin, definiert große Silikapartikel zu synthetisieren, diese vergleichend mit sonst eingesetzten Silikasorten zu charakterisieren, Mörtelproben mit den verschiedenen Silikasorten zu präparieren, die abgebundenen Proben zu untersuchen sowie die Ergebnisse hinsichtlich der Korrelation mit berechneten PD-Werten zu interpretieren.
-
Forschungsinstitut der Zementindustrie
Postfach 30 10 63, 40410 Düsseldorf
Dr. rer. nat. Klaus Lipus
T: +49-211-4578-277 | F: +49-211-4578-44427
03X0067F
-
Bliersheimer Str. 62, 47229 Duisburg
Dr.-Ing. Andreas Ehrenberg
03X0067H
Die spezifischen Ziele des FEhS - Instituts für Baustoff-Forschung im Rahmen des Verbundprojekts waren auf zwei Aspekte fokussiert:
-
Neu-Ulm
Dipl.-Ing. Bernd Körber
T: +49-7153-9395-25 | Telefax: +49-7153-9395-99
03X0067I
Die Aufgabenstellung der Betonwerk Neu-Ulm GmbH und Co. KG im Rahmen des Gesamtprojektes war die Prüfung der Anwendungsmöglichkeiten der von den anderen Projektpartnern entwickelten "kalt härtenden Keramik" im Bereich der Fertigteilherstellung, speziell im Hinblick auf deren Einsatz in der Abwassertechnik und Landwirtschaft. Es sollten Demonstratoren hergestellt werden, um die Ergebnisse auf deren Umsetzbarkeit in Produkte zu prüfen, welche die Erfordernisse der entsprechenden Anwender erfüllen.
Neben der Herstellung von Rohren als massive Bauteile aus "kalt härtender Keramik" sollte auch die Anwendung der im Rahmen des Projektes entwickelten nanooptimierten mineralischen Beschichtungen an Fertigteilen geprüft werden. Die Applikation sollte "frisch-in-frisch" an handelsüblichen Betonrohren der verschiedenen Produktionsverfahren oder auch an speziell dafür hergestellten Demonstratoren vorgenommen werden.
In Zusammenarbeit mit der Fa. Mannebeck sollte die Antragstellerin die Demonstratoren für die Anwendung der "kalt härtenden Keramik" für Spaltenböden in der Landwirtschaft herstellen. Hierzu war vorgesehen entsprechende Versuchsschalungen zu entwickeln und zu beschaffen und die für die Versuche der Fa. Mannebeck notwendige Anzahl an Bauteilen herzustellen. Analog zu den Rohren war auch bei den Bauteilen für die Landwirtschaft vorgesehen, die Beschichtungen durch die Antragstellerin aufzubringen.
-
