Die Untersuchung der Wechselwirkung von Fließmittelmolekülen mit verschiedenen Partikeln in mineralischen Bindemitteln ist ein wichtiger Bestandteil der Forschung von Dr. Wetzel. Kammförmige Fließmittelpolymere adsorbieren an die Partikel, stören die Anziehungskräfte zwischen den Partikeln und bewirken so eine homogene Dispersion und Mischung. Besonders für Hoch- und Ultrahochleistungsbetone (HPC und UHPC) sind diese Zusatzmittel sehr wichtig, um die typischen Materialeigenschaften wie hohe Druckfestigkeit und Dauerhaftigkeit zu erreichen. Die in-situ Detektion der Polymere wird in einem DFG-Projekt (389127734) entwickelt, um verschiedene experimentelle Parameter bezüglich der Polymer-Partikel-Wechselwirkung mittels fluoreszenzmikroskopischer Ansätze zu untersuchen. Die vermutete Korrelation der mikroskopischen Ergebnisse mit der plastifizierenden Wirkung eines aufgebrachten Betons gelang Arendet al. (2018). Das Hauptforschungsziel ist es, die Eigenschaften von Betonmischungen wie Fließfähigkeit und Erstarrungsverhalten mit verschiedenen Fließmitteln durch fluoreszenzmikroskopische Adsorptionsmessungen vorherzusagen, um eine ressourcenschonende und maßgeschneiderte Methode zur weiteren Fließmittelverbesserung zu etablieren.

Die Bilder unten, aufgenommen mit dem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) in der Gruppe von Prof. Müller (Biologie), zeigen die zunehmende Adsorption von gefärbtem Fließmittel mit Hydratationsprodukten, die sich in den ersten Minuten der Zementhydratation bilden. Diese zeitabhängige Entwicklung ist für bestimmte Anwendungen von Beton wie Transportbeton oder Fertigteile sehr wichtig.

J. Arend, A. Wetzel, B. Middendorf. In-situ investigation of superplasticizers: From fluorescence microscopy to concrete rheology. Cement and Concrete Research 2018, 178–185.

Alkali-aktivierte Materialien (AAM) gelten als eine vielversprechende Alternative zu zementären Systemen. Die Herstellung von traditionellem Portlandzement ist energieintensiv und trägt erheblich zum CO2-Ausstoß bei, daher sind klimafreundliche Bindemittelsysteme von großem Interesse bei der Entwicklung von Baustoffen. Ziel ist es, auf den Einsatz von Portlandzementklinker zu verzichten und durch geeigneten Einsatz von Sekundärrohstoffen ein vergleichbares Bindemittelsystem herzustellen.

Basierend auf den Prinzipien des Ultra-Hochleistungsbetons (UHPC) wurde ein Portlandzement-freies, alkalisch aktiviertes Material entwickelt und die Auswirkungen von Silicastaub und Nano-Silica auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften untersucht (Wetzel et al. 2019). Dabei handelt es sich um anorganische, mineralische, nicht-metallische Bindemittel mit einem hohen Gehalt an reaktivem Silizium (Si) und Aluminium (Al) sowie optional Calcium (Ca). Während im UHPC durch die Zugabe von Silicastaub der Einsatz von Fließmitteln notwendig ist, hat die AAB eine Rheologie Optimierung mit Silicastaub bei Druckfestigkeiten im Bereich von 200 MPa nach 56 Tagen beobachtet. Ob dies auf einen Kugellagereffekt der sehr feinen kugelförmigen Partikel (Abb. 2) oder auf eine chemische Reaktion zurückzuführen ist, wird unter Variation des Silicastaubgehaltes untersucht.

Die reine Substitution von Silicastaub durch Nano-Silicapartikel zeigte keine Verbesserung der rheologischen Eigenschaften. Nach Zugabe der Aktivierungslösung wurde zudem ein stark verzögerter Verflüssigungseffekt beobachtet, der auf die Morphologie der Nano-Silica-Partikel zurückgeführt werden kann. Diese Nano-Silica liegt als Agglomerat vor und ist durch kleine, nanoskalige Poren gekennzeichnet (Abb. 3). Aufgrund der Netzwerkstruktur wird die Aktivierungslösung zunächst gebunden und die SiO2-Partikel gelöst. Die Hydratations- und Polymerisationsreaktionen setzen dann Wasser frei, das anschließend mit den Strukturen der Schlacke reagieren kann. Untersuchungen der Bindemittel in situ mit dem Fourier-Transform-Infrarotspektroskop haben ebenfalls Aufschluss über die verschiedenen Lösungsprozesse gegeben. Es wurde festgestellt, dass die rheologischen Eigenschaften durch den Einsatz von Silikastaub nicht nur auf den Kugellagereffekt zurückzuführen sind. Auch die chemische Reaktion der Kieselsäurepartikel und der damit verbundene Lösungs- und Polymerisationsprozess haben einen Einfluss auf diese Eigenschaften.

Wetzel, B. Middendorf. Influence of silica fume on properties of fresh and hardened ultra-high performance concrete based on alkali activated slag. Cement and Concrete Composites 100, 2019, 53-59.