Reaktionskinetik von Recyclingmaterial als Bindemittelersatz in Zement

Abstract

Zement ist ein zentraler Bestandteil von Beton und weltweit einer der meistverwendeten Baustoffe. Zement stellt jedoch eine bedeutende Quelle von \ch{CO2}-Emissionen dar. Gleichzeitig fallen im Bau- und Abbruchsektor große Mengen an Abfällen an, deren Deponierung zunehmend als nicht nachhaltig gilt. Vor diesem Hintergrund untersucht diese Arbeit die Eignung von drei industriellen Recyclingmaterialien (RM1, RM2 und RM3) als teilweisen Ersatz für Portlandzement (CEM) und vergleicht ihre Leistungsfähigkeit mit etablierten Zementersatzstoffen wie Metakaolin und Kalksteinmehl sowie mit einem inerten Ersatzstoff wie Quarzsand. Die Reaktionskinetik der Recyclingmaterialien wurde durch kalorimetrische und rheologische Untersuchungen analysiert, während ihr Einfluss auf die Festigkeitsentwicklung anhand von Druckfestigkeitsprüfungen an Mörtelproben bewertet wurde. Ergänzend wurden Ausbreitmaß, Erstarrungsbeginn, Trocknungsschwinden sowie die Effekte unterschiedlicher Lagerungsbedingungen untersucht.Die kalorimetrische Untersuchung der reinen Recyclingmaterialien zeigt deutliche Unterschiede in deren Reaktivität: RM1 und RM2 setzen nur geringe Wärmemengen frei und verhalten sich weitgehend inert, während RM3 eine frühe Reaktivität und eine deutlich höhere Wärmefreisetzung aufweist. Diese frühe Reaktivität von RM3 im Kontakt mit Wasser wird durch SAOS-Messungen bestätigt, bei denen der Speichermodul $G{'}(t)$ früh und steil ansteigt, was auf die schnelle Ausbildung eines flokkulierten Netzwerks hinweist, während RM1 und RM2 nur geringe Änderungen zeigen und überwiegend inert bleiben. In Zementmischungen bewirkt RM3 eine Beschleunigung der anfänglichen Hydratationsreaktionen, führt jedoch gleichzeitig zu einer Verzögerung der Beschleunigungsphase der Zementhydratation. Im Gegensatz dazu verlangsamen RM1 und RM2 die Beschleunigungsphase der Zementhydratation nur in geringem Maße und zeigen insgesamt weniger ausgeprägte Effekte. Der Effekt von RM1 und RM2 auf die Zementhydratation ist mit dem Einfluss von Kalksteinmehl und Metakaolin vergleichbar.Mechanisch hängt die Festigkeitsentwicklung der CEM:RM-Mischungen stark vom Substitutionsgrad und den Lagerungsbedingungen ab. Bei einem hohen Ersatzstoffanteil von 50:50 sind die Druckfestigkeiten deutlich geringer, sodass die Materialien für Anwendungen mit niedriger Traglast geeignet sind. Eine Reduktion des Recyclingmaterialanteils auf 30 \% führt zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung, wobei RM3 unter optimierten Bedingungen hohe Druckfestigkeiten erreicht, die mit denen von Metakaolin vergleichbar sind.Insgesamt zeigt die Arbeit, dass der teilweise Ersatz von Zement durch Recyclingmaterialien nicht nur die \ch{CO2}-Emissionen verringert und Primärressourcen schont, sondern auch die Entwicklung nachhaltiger Betonanwendungen ermöglicht. Besonders RM3 weist nach geeigneter Nachbehandlung ein großes Potenzial für Anwendungen mit höheren mechanischen Anforderungen auf.

Cement is essential to concrete and ranks among the most heavily used building materials globally; yet, it is a major source of \ch{CO2} emissions. At the same time, construction and demolition activities generate vast quantities of waste that are increasingly unsustainable to landfill. In response, this thesis investigates the suitability of three industrial recycled materials (RM1, RM2, and RM3) as partial replacements for Portland cement (CEM), comparing their performance with well-known supplementary cementitious materials such as metakaolin and limestone powder, as well as an inert substitute like quartz sand. The focus is on reaction kinetics, determined through calorimetric and rheological measurements, as well as on the influence of the recycled materials on strength development, evaluated via compressive strength tests on mortar samples. Additional properties, including spread flow, Vicat measurements, drying shrinkage, and the effects of different curing conditions, were also examined.The calorimetry of the pure recycled materials highlights differences in reactivity: RM1 and RM2 release relatively little heat and appear largely inert, whereas RM3 exhibits early reactivity and a significantly higher heat release. Rheological measurements confirm this behaviour, with RM3 showing a rapid increase in the storage modulus $G{'}(t)$, indicating the fast formation of a flocculated network, while RM1 and RM2 remain largely inert. When incorporated into cement, RM3 accelerates early hydration reactions but delays the main phase of cement hydration, whereas RM1 and RM2 have only minor effects and cause a smaller delay of the main phase. Overall, the influence of RM1 and RM2 on cement hydration is comparable to that of limestone powder and metakaolin.Mechanically, the performance of CEM:RM mixtures strongly depends on the substitution level and curing conditions. At a 50:50 volume ratio, compressive strengths are substantially lower than those of pure cement, suggesting suitability primarily for low load-bearing applications. Reducing the substitution to 30\% markedly improves strength, particularly for RM3, which, under optimised curing conditions, achieves compressive strengths comparable to those of metakaolin and shows promising overall mechanical performance.Overall, partial replacement of cement with recycled materials can significantly reduce \ch{CO2} emissions, conserve primary raw materials, and provide a sustainable alternative for concrete production. In particular, RM3 demonstrates the greatest potential for applications requiring higher mechanical performance following appropriate curing, highlighting its suitability for more demanding construction applications.