Aus der Realtà Mapei Nr. 24 - 15.04.2025

Der Weg zu nachhaltigerem Beton

MapeCube

SCMs bestehen aus Nebenprodukten industrieller Prozesse, wie z. B. Flugasche, Hochofenschlacke und Silikastaub. Bei den anderen SCMs handelt es sich um natürliches Puzzolan und Füller auf Kalksteinbasis. Seit den 1990er Jahren werden diese Materialien in der Formulierung neuer Bindemittel verwendet und ersetzen teilweise den Klinker. In den nächsten Jahrzehnten wird dieser Prozess durch den verstärkten Einsatz von Kalkstein und die Einführung von kalziniertem Ton und feinem Betonschotter (CDW) weiter beschleunigt werden, was den Rückgang der verfügbaren Mengen an Flugasche und Schlacke ausgleichen wird. Dadurch wird das Klinker / Bindemittel-Verhältnis vom derzeitigen Wert von 0,63 über den Zwischenwert von 0,58 bis 2030 auf den Endwert von 0,52 bis 2050 gesenkt*.

Die Verwendung von SCMs für die Formulierung neuer Zemente und als Zusatzstoff bei der Betonherstellung stellt eine grundlegende Massnahme zur Herstellung von neuem kohlenstoffarmem Beton (LCC) dar.

Im Gegensatz zu Klinker haben SCMs jedoch keine eigenständigen hydraulischen Eigenschaften, sondern entfalten ihre Bindeeigenschaften erst nach der Aktivierung. Die Aktivierung erfolgt durch die puzzolanische Reaktion mit dem Hydratkalk, die bei der Hydratation des Zements entsteht. Dabei bilden sich Hydratphasen, die eine ähnliche Zusammensetzung haben wie die Silikatphasen des Klinkers.

Die Reaktionskinetik ist ebenfalls unterschiedlich: Während sich Calciumsilikathydrate (C-S-H), die durch die Hydratation von Klinker entstehen, innerhalb weniger Stunden nach dem Vermischen mit Wasser bilden, entwickeln sich die von SCMs erzeugten Silikate viel langsamer und in geringerem Masse. Ausserdem nehmen nicht alle SCMs an der puzzolanischen Reaktion teil. Denn das Kalksteinpulver wird durch den Hydratkalk nicht aktiviert und wirkt hauptsächlich als Füller.

Hinzu kommt, dass dieselben Hydratationsreaktionen der Klinkerphasen nicht quantitativ sind. Sie lassen immer inaktive Fraktionen zurück, die nicht zur Entwicklung der mechanischen Festigkeit beitragen*.

Auf der Grundlage dieser Überlegungen könnte die gewünschte Verringerung des Klinker / Bindemittel-Verhältnisses von kohlenstoffarmem Beton (LCC) schwer mit der Notwendigkeit zu vereinbaren sein, die gleichen mechanischen Festigkeiten wie bei aktuellen Betonen mit höherem CO2-Fussabdruck zu erhalten.

Um diesen Nachteil zu überwinden, wurde eine neue Klasse von Zusatzmitteln entwickelt. Ihre Aufgabe besteht darin, den Verlust der mechanischen Eigenschaften von LCC-Beton auszugleichen, falls das Verhältnis von Klinker zu Bindemittel sinkt. Diese neue Klasse von Zusatzstoffen zielt darauf ab, die Reaktivität des gesamten Bindemittelsystems zu steuern.

Da diese Zusatzstoffe speziell entwickelt wurden, um die Anforderungen an die Nachhaltigkeit und Leistungssteigerung von kohlenstoffarmem Beton (LCC) zu erfüllen, wurde der Name Low Carbon Concrete Admixtures (LCCA) vorgeschlagen*.

Mapei hat die umfassende Palette von Mape-Cube-Zusatzmitteln entwickelt, um den aktuellen und zukünftigen Anforderungen an nachhaltigen Beton gerecht zu werden, der sich zunehmend auf die Verwendung von Bindemitteln mit reduziertem CO2-Ausstoss konzentriert.

Die LCCAs der MapeCube-Reihe sind das Ergebnis eines multidisziplinären Forschungsprojekts, das in den Forschungs- und Entwicklungslabors von Mapei in Zusammenarbeit mit der Abteilung für Geowissenschaften der Universität Padua (Italien) ins Leben gerufen wurde. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Untersuchung der Reaktionen des Hydratationsprozesses von Bindemitteln mit niedrigem Kohlenstoffausstoss. Das Ziel dabei ist, deren Ergebnis zu optimieren und die maximale Entwicklung der mechanischen Festigkeit sowohl kurz- als auch langfristig voranzutreiben. Das Konzept des Projekts, dessen zentrales Element die neuen MapeCube-Zusatzmittel sind, sieht drei Hauptbereiche vor:

Förderung der Klinker-Hydratation
MapeCube enthält neue synthetische «Hybrid»-Verbindungen, bei denen organische Polymere und anorganische Verbindungen interargieren, um «Nanokomposite» zu bilden, die die Hydratation des Klinkers fördern. Dank dieser Komponenten erhält man mehr Hydrat-Phasen, die sich durch eine verbesserte Mikrostruktur auszeichnen, und somit einen nachhaltigeren Beton. Dieselben Komponenten können die puzzolanische Reaktion beschleunigen, wodurch in kürzerer Zeit grössere Mengen an Hydratationsprodukten gebildet werden.
Alkalische Aktivierung
Die alkalischen Aktivatoren fördern die Auflösung der SCMs, die als feste Phasen aus Calcium-Silikat-Hydraten und Calcium-Aluminat-Hydraten ausfallen und so zur Entwicklung der mechanischen Festigkeit beitragen.
Kalksteinaktivierung
Die MapeCube-Zusatzmittel aktivieren den an sich wenig reaktiven Füller aus Kalkstein, indem sie seine Reaktion mit den Aluminatphasen des Klinkers fördern. So bilden sich neue Kohlenstoffaluminat-Phasen, die zur Entwicklung der mechanischen Festigkeiten beitragen*.
Durch die Kombination dieser innovativen Inhaltsstoffe mit herkömmlichen Fliessmitteln, beschleunigenden und verzögernden Zusatzstoffen konnten verschiedene MapeCube-Produkte mit spezifischen Eigenschaften formuliert werden, um die Ergiebigkeit von Zementen mit SCMs zu optimieren.