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Investigation and Characterization of Eco-friendly Limestone-rich Concretes and their Carbonation Behavior

YILDIRIM, HALIL :
Investigation and Characterization of Eco-friendly Limestone-rich Concretes and their Carbonation Behavior.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Doktorarbeit29082018P.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigation and Characterization of Eco-friendly Limestone-rich Concretes and their Carbonation Behavior
Language: English
Abstract:

This work results from an interdisciplinary study on the carbonation behavior of clinker-reduced eco-friendly cements and concretes in collaboration with the Institut für Massivbau, Technische Universität Darmstadt. The focus of this study is the carbonation behavior of cements with high limestone content (up to 50 %). The use of limestone powder allows for the reduction of Portland cement clinker, whose synthesis is responsible for the high CO2 emission during the cement production. The reduced Portland cement clinker contents in cement and concrete results in lower amounts of hydration products such as calcium hydroxide and C-S-H phases. However, a minimum amount of Ca(OH)2 and a high density of the hardened cement pastes are necessary to ensure sufficient alkalinity, which is necessary for the passivation of the steel reinforcement. Therefore, questions regarding the durability against carbonation induced corrosion of the reinforcement must be answered before new limestone-rich cements and concretes will be applied in practice. In the framework of this work the reactions of the most important hydration products of cement with CO2 were investigated. In the first part of this work cementitious pastes of commercially available cement with and without limestone addition were prepared and the carbonation reactions investigated. To gain a deeper insight into the reactions occurring in this complex material the most important clinker phases were synthesized with high purity. The carbonation reactions of the hydrated samples were investigated in detail. To understand the time-dependence and the order of the reactions a suitable experimental setup for the accelerated carbonation reaction was established and tested. Additionally, a model cement was synthesized and investigated. The detailed investigations showed, that the carbonation resistance does not depend solely on the amount of Ca(OH)2 initially formed; it reveals the important role of the water/cement-ratio. The time-dependent investigations of the single phases show that Ca(OH)2 and the C-S-H phases react simultaneously with CO2 – differently from well-established models claiming that C-S-H phases only react with CO2 after the complete amount of Ca(OH)2 is consumed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit resultiert aus einer interdisziplinären Studie zum Karbonatisierungsverhalten klinkerreduzierter, umweltfreundlicher Zemente und Betone, die in Zusammenarbeit mit dem Institut für Massivbau der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt wurde. Im Fokus dieser Zusammenarbeit stand das Karbonatisierungsverhalten von Zementen mit hohen Kalksteinmehlgehalten (bis zu 50 %). Die Verwendung von Kalksteinmehl erlaubt eine Reduzierung von Portlandzementklinker, dessen Herstellung für die hohen CO2-Emissionen bei der Zementproduktion verantwortlich ist. Durch einen reduzierten Anteil an Portlandzementklinker in Zement und Beton werden allerdings auch weniger Hydratationsprodukte wie Calciumhydroxid und C-S-H-Phasen gebildet. Eine Mindestmenge an Calciumhydroxid und eine hohe Dichtigkeit des Zementsteins sind jedoch für die Passivierung des Bewehrungsstahls notwendig. Daher ergeben sich hinsichtlich der Anwendung sehr kalksteinreicher Zemente und Betone viele Fragen bezüglich der Dauerhaftigkeit gegenüber karbonatisierungsinduzierter Bewehrungskorrosion. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Reaktionen der wichtigsten Hydratationsprodukte von Zement mit CO2 untersucht. Dazu wurden im ersten Teil der Arbeit Zementleimproben aus kommerziell erhältlichen Zementen mit und ohne Zusatz von Kalksteinmehl präpariert und das Karbonatisierungsverhalten untersucht. Um ein tieferes Verständnis der ablaufenden Reaktionen in diesem komplexen Material zu erhalten, wurden zudem die wichtigsten Klinkerphasen mit hoher Reinheit im Labor synthetisiert, hydratisiert und die Reaktionsprodukte nach der Karbonatisierung untersucht. Um eine Vorstellung der zeitlichen Abläufe während der Reaktion mit CO2 zu erhalten, wurde eine Versuchsanordnung für eine beschleunigte Karbonatisierungsreaktion entwickelt und getestet. Zusätzlich wurde auch ein Modellzement synthetisiert und untersucht. Die detaillierten Untersuchungen zeigten, dass der Karbonatisierungswiderstand nicht direkt von der Menge des gebildeten Ca(OH)2 abhängt, sondern dass das Wasser/Zement-Verhältnis eine große Rolle spielt. Die zeitabhängigen Untersuchungen der Einzelphasen zeigten deutlich, dass Ca(OH)2 und C-S-H-Phasen gleichzeitig karbonatisieren – anders als in gängigen Modellen angenommen, die besagen, dass die C-S-H-Phasen erst dann mit CO2 reagieren, wenn Ca(OH)2 verbraucht ist.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Department of Chemistry
07 Department of Chemistry > Fachgebiet Anorganische Chemie
Date Deposited: 06 Sep 2018 11:56
Last Modified: 06 Sep 2018 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-77555
Referees: Albert, Prof. Dr. Barbara and Graubner, Prof. Dr. Carl-Alexander
Refereed: 23 April 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7755
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