Nanoporöser druckfester Porenbetonstein hergestellt unter Einsatz von Calciumsilikat-Binder
01.10.2014 bis 30.09.2017
Celitement GmbH
Eine effiziente Wärmedämmung für Wohngebäude ist einer der Schlüssel zur Umsetzung der Energiewende. Als Dämmtechnologie für Außenwände werden heute meist Verbünde aus Dämmstoff und tragendem Bauteil genutzt, die schwer rezyklierbar sind und überwiegend aus begrenzt verfügbaren Rohstoffen bestehen.
Ziel des Verbundes ist es, einen homogenen, rezyklierbaren Vollbaustein zu entwickeln, der ressourceneffizient aus den Hauptkomponenten Kalk, Sand und Wasser hergestellt wird und der bereits ohne Wärmedämmverbundsystem exzellente Dämmeigenschaften besitzt. Zu diesem Zweck soll die Wärmeleitfähigkeit von Porenbetonstein drastisch reduziert werden. Die im üblichen Produktionsverfahren durch Gasentwicklung gebildeten Treibporen mit einem Durchmesser von ca. 1 mm sollen in dem neuen Material zum Teil oder ganz durch einen hochporösen Leichtzuschlag ersetzt werden, dessen mittlerer Porendurchmesser bei ca. 50 nm liegt. Der Leichtzuschlag soll die gleiche Zusammensetzung wie die Matrix des Porenbetonsteins besitzen. Er wird aus speziell entwickelten hydraulischen Calciumhydrosilikaten hergestellt. Der Porenbetonstein wird wie bisher im Autoklaven gehärtet.
Hydraulische Calciumhydrosilikate sind eine Entwicklung des Karlsruher Instituts für Technologie. Der für ihre Herstellung nötige Energieeinsatz und die damit verbundene Emission von CO2 könnten im Vergleich zu Portlandzement potentiell halbiert werden, wenn es gelingt das Verfahren auf Großanlagen zu übertragen. In diesem Fall könnten hydraulische Calciumhydrosilikate langfristig konventionelle Zemente ersetzen. Hydraulische Calciumhydrosilikate werden durch die Celitement GmbH unter dem Namen Celitement zur Marktreife entwickelt. Der Verbund aus der Forschungseinrichtung KIT, der Entwicklungsgesellschaft Celitement GmbH und dem Marktführer im Bereich Poren beton Xella wird die deutsche Wettbewerbsposition in diesem Zukunftsmarkt weiter ausbauen.
Hermann von Helmholtz Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Uwe Schweike
T: +49-7247-9546-713 | F: +49-7247-9546-710
13N13298
Das Teilvorhaben liefert die technischen Grundlagen und die benötigten Materialmengen, die für die Entwicklung eines neuen, wärmedämmenden Massivbaustoffs für Gebäude, einem massiven mineralischer Porenbetonplanstein mit einer Würfeldruckfestigkeit von 2,5 N/mm2 und einem Wärmeleitfähigkeitsbemessungswert von ≤ 0,07 W/(mK) notwendig ist.
Damit fällt das Teilprojekt in die thematischen Schwerpunkte "Intelligente Gebäudetechnik" und "Intelligente Instandhaltungskonzepte" der Bekanntmachung HighTechMatBau. Übergeordnete Ziele sind eine über den Lebenszyklus aus Herstellung, Nutzung und Recycling verbesserte Energieeffizienz und ein reduzierter Rohstoffverbrauch bei geringem Schadstoffgehalt. Da zur Herstellung des C-S-H Systems ausschließlich heimische Rohstoffe eingesetzt werden, steigt die Versorgungssicherheit.
Zur Herstellung der C-S-H Systeme werden als Vorprodukt neue ressourceneffiziente hydraulische Calciumhydrosilikat-Binder ("Celitemente") anstelle von konventionellem Zement als Rohstoff eingesetzt. Damit soll das Effizienzpotential dieser innovativen hCHS-Binder im Dämmstoffbereich nutzbar gemacht werden.
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Institut für Technische Chemie
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Dr. Peter Stemmermann
T: +49-721-608-24391 | F: +49-721-608-924391
13N13300
Konventionelle Zemente bilden als Hydratationsprodukte neben C S H-Phasen 50 % Nebenphasen wie Portlandit, Calciumaluminathydrate etc. Die Systeme lassen sich schäumen und besitzen lokal auch Nanoporosität. Eine homogene Porenverteilung im Nanometerbereich, wie sie über die Selbstorganisation bei der Hydratation von hCHS-Binder zu C S H-Phasen entsteht, ist aber nicht zu erzielen. Die Herstellung von nanoporösen Körpern aus reinem C-S-H ist nach dem Stand der Technik nur durch Fällung aus übersättigten Lösungen mit extremem Wasserüberschuss möglich. Mit diesem Verfahren gelingt es nicht, Körper mit genügender Eigenfestigkeit herzustellen.
Ziel des Teilvorhabens ist es, die Umsetzung von hCHS Binder zu nanoporösen Körpern aus reinem C-S-H mit einem molaren CaO/SiO2 – Verhältnis zwischen 0,6 und 1,5 zu optimieren und die resultierenden Strukturen und Eigenschaften der Körper zu beschreiben. Zunächst wird im Teilvorhaben hCHS Binder mit hoher Oberfläche als Rohstoff zur Herstellung von nanoporösem C S H-Körpern synthetisiert. C-S-H Systeme verschiedener Zusammensetzung werden durch Hydratation bei Standardbedingungen hergestellt und anschließend einer hydrothermalen Behandlung unter den Bedingungen der technischen Herstellung von Porenbeton unterzogen. Strukturen und Bildungskinetik der C-S-H Systeme bei Standardbedingungen bzw. hydrothermalen Bedingungen werden als Funktion von Temperatur, Druck und Zeit ermittelt. Anschließend wird im Labormaßstab die Formulierung und Verarbeitung ausgewählter hCHS-Proben zur Herstellung von C S H-Körpern mit homogener nanoporöse Zellmorphologie bei niedriger Dichte und hinreichender mechanischer Stabilität getestet.
Das Teilvorhaben liefert einen Satz Grundstoffe und erste grobe Verarbeitungsvorschriften auf dem Weg zur Herstellung eines nanoporösen Leichtbausteins auf C S H Basis. Gleichzeitig werden die analytischen Voraussetzungen in Form von Datenbanken geschaffen, mit deren Hilfe die im Teilvorhaben 2 und 3 im Pilotmaßstab hergestellten Produkte bewertet werden können.
Die angestrebte wirtschaftliche Verwertung der Ergebnisse des Gesamtvorhabens erfolgt im Erfolgsfall durch die Industriepartner Celitement GmbH und Xella. Entscheidend wird dabei sein ob es gelingt, eine niedrige thermische Leitfähigkeit bei hoher Standfestigkeit des letztlich hergestellten Bausteins zu erzielen. Im Erfolgsfall könnte auf die bisher im Vergleich zu dem neuen System zeit- und kostenaufwändig herzustellenden Wärmeverbundsysteme bei gleichzeitiger Minimierung der Brandlast verzichtet werden. Mit dem Verbundpartner Xella steht ein starker Marktteilnehmer bereit, der ein solches System auch auf dem Markt platzieren könnte.
Für das KIT sind der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn und die Publikation der Ergebnisse unter Berücksichtigung des möglichen Erwerbs von Schutzrechten das zentrale Ziel der Verwertung. Daneben steht die Ausbildung von Doktoranden und der Know-how Gewinn im Vordergrund.
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Produkt- und Prozessforschung
Hohes Steinfeld 1, 14797 Kloster Lehnin
Dr. Andreas Stumm
T: +49-33844-752-120 | F: +49-33844-752-110
13N13299
Ziel des Teilvorhabens ist es, verfahrenstechnische und rezepturtechnische Lösungen für die Einbringung von Leichtzuschlag in Porenbeton zu finden, dass am Ende ein massiver mineralischer Porenbetonplanstein mit einer Würfeldruckfestigkeit von 2,5 N/mm2 und einem Wärmeleitfähigkeitsbemessungswert von ≤ 0,07 W/(mK) vorliegt.
Dieser soll neben der Funktion als tragende Struktur auch eine vollwertige Wärmedämmfunktion besitzen. Er soll chemisch homogen, leicht zu bearbeiten und vollständig rezyklierbar sein. Bautechnisch und bauphysikalisch muss der Planstein den normativen Vorgaben gerecht werden.
Insbesondere die homogene Einbringung von Leichtzuschlägen in die Porenbetonmischung ist derzeit noch nicht möglich. Die Einbindung von Leichtzuschlägen mit homogener nanoporöse Zellmorphologie bei niedriger Dichte und hinreichender mechanischer Stabilität aus reinem, nicht zu Tobermorit kristallisiertem C-S-H verspricht, die Materialeigenschaften des Produkts Porenbeton deutlich zu verbessern, ohne Materialgrenzen und chemische Inhomogenitäten zu induzieren.
Aufgrund der nanoporösen Struktur des Zuschlages ist mit einem erhöhten Wasseranspruch und einer erhöhten Viskosität der Rohstoffmischung zu rechnen. Deshalb muss zur besseren Verarbeitbarkeit das Wasser/Feststoff-Verhältnis weit über den für Porenbeton üblichen Werten liegen. In Folge dessen sind eine Sedimentation der Rohstoffe und ein Auftreiben der nanoporösen Zuschläge während der Lufthärtung des Porenbetonkuchens sehr wahrscheinlich.
Die homogene Einbringung des Leichtzuschlages erfordert Änderungen bei der Rezeptur (z.B. Additive) und der Mischtechnik. Bei der klassischen Porenbetonherstellung wird die gesamte Rohstoffmischung vorab homogenisiert und anschließend in eine Form gegossen. Der Porenbetonkuchen erreicht sein endgültiges Volumen durch eine Volumenexpansion, verursacht durch die Wasserstoffreaktion des Treibaluminiums.
Aufgrund des großen Volumens der zu entwickelten Rezepturen müssen die Mischungen chargenweise in die Gießform überführt werden. Der Kuchen darf während der Dampfhärtung nicht kollabieren.
Die am Ende erfolgreich produzierten Plansteine werden baumechanisch und bauphysikalisch untersucht.
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