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Karsten Mesecke

• Autoclaved aerated concrete (AAC) is a building material that combines heat insulation properties with sufficient mechanical strength for masonry construction. Compared to ordinary concrete, the matrix is highly porous (>50%) and hardened by a hydrothermal curing process at 150°C - 200°C. During this process, quartz sand and portlandite react to form first calcium silicate hydrates (C-(A)-S-H) with Ca/Si ratios <1.3 and then tobermorite. Especially tobermorite, which has a much larger crystallite size than C-(A)-S-H, provides improved mechanical strength. This reaction sequence is influenced by many parameters and additives of which calcium sulfate is probably the most important. Despite several attempts to investigate these hydrothermal reactions, the actual reaction mechanism involved when adding sulfate ions is not fully understood. It has been suggested that the addition of ca. 1.5 wt% significantly improves the mechanical properties due to the enhanced formation and arrangement of tobermorite in the porous matrix. Since the sulfate content in AAC waste is exceeding regulatory threshold for low-quality reuse in some countries, the aim of this study was to investigate in detail the reaction mechanisms involving sulfate addition. Such knowledge may open up the possibility to improve AAC production and to avoid the need for sulfate addition. To achieve this goal, this research work focused on investigating the hydrothermal curing process to determine the sequence of hydrothermal reactions and the spatial distribution of the phases formed. For this purpose, a new setup for in situ X-ray diffraction was specifically designed to study hydrothermal reactions and to conduct time intensive experiments on a normal laboratory diffractometer. In order to quantitatively evaluate the in situ measurements by Rietveld analysis using TOPAS, it was also necessary to develop atomistic structure models for C-(A)-S-H phases. This was made possible by adopting a supercell approach that was previously used to describe turbostratically stacked clay minerals. The structure models, derived from tobermorite, are placed in an otherwise empty supercell to simulate the C-(A)-S-H nanostructure. Adopting these methodological advances, it was possible to obtain absolute phase quantities from in situ data and to track the reaction kinetics of the hydrothermal curing process. These results were then combined with ex situ X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Confirming previous studies, the major effect of sulfate ions was the formation and decomposition of hydroxylellestadite. It was further revealed that C-(A)-S-H formation was delayed during hydroxylellestadite formation, which is supposed to support the silicate ion diffusion and hence the tobermorite formation at a stage critical for improved hardening of AAC. This can be linked to the formation of lower amounts of capillary pores in the range of 1-5 µm, as observed by scanning electron microscopy, and therefore a lower concentration of inherent defects that resulted in the improved mechanical properties. This research work highlights how important the spatial distribution of crystallites is for the properties of a building material and how this distribution can be influenced by small alterations in reaction chemistry.
• Porenbeton ist ein Baumaterial das Wärmeisolierung und statische Festigkeit vereint. Im Vergleich zu normalem Beton besteht ein Großteil des Volumens (>50%) aus Luft, weswegen die verbleibende Matrix besonders stabil sein muss. Dies macht einen hydrothermalen Härtungsprozess notwendig (150°C - 200°C), bei dem Quarzsand mit Portlandit zu Calciumsilikathydraten mit Ca/Si Verhältnissen <1.3 und insbesondere zu Tobermorit reagieren. Dessen Kristallite sind deutlich größer als die von C-(A)-S-H Phasen mit Ca/Si Verhältnissen >1.5 und bieten die notwendige Stabilität trotz hoher Porosität (>50%). Diese hydrothermale Härtung wird von vielen Parametern und Zusätzen beeinflusst, von denen der Zusatz geringer Mengen Calciumsulfat besonders wichtig ist. Trotz einiger umfangreicher Studien wirft dieser Effekt immer noch Fragen auf. Es ist nur bekannt, das ca. 1.5 wt% Calciumsulfat vermutlich die Vernetzung der Tobermoritkristalle verbessern und somit die mechanische Festigkeit deutlich steigern. Hinsichtlich notwendiger Anpassungen von Parametern, Rezeptur und Rohstoffen ist es wichtig zu verstehen warum dieser Zusatz zu der besten Qualität von Porenbeton führt. Deswegen ist der Gegenstand der aktuellen Forschungsarbeit die weitere Untersuchung der hydrothermalen Reaktionen und des Sulfateinflusses. Hierzu wurde ein neuer experimenteller Aufbau für die in situ Röntgendiffraktometrie an einem Labor-Röntgendiffraktometer installiert. Um die Röntgendiffraktometrischen Messungen mittels Rietveldanalyse und TOPAS auswerten zu können, wurden Strukturmodelle für C-(A)-S-H entworfen. Diese basieren auf Tobermorit und die Simulation der Nanostruktur wird durch einen Ansatz ermöglicht, der bisher nur für Tonminerale beschrieben wurde. Hierbei wird die Struktur in eine größtenteils leere Superzelle platziert. Dies erlaubte eine direkte Quantifizierung der in situ Messungen und zeigte so den Reaktionsablauf des hydrothermalen Härtungsprozesses. Anschließend wurden diese Ergebnisse mit der ex situ Röntgendiffraktometrie und der Rasterelektronenmikroskopie kombiniert. Wie in früheren Studien wurde die Bildung und Zersetzung von Hydroxylellestadit beobachtet, zusätzlich wurde deutlich, das die Bildung von C-(A)-S-H während der Bildung von Hydroxylellestadit verzögert ist. Dies kann sich mutmaßlich positiv auf die Diffusion von Silikationen auswirken und später auch die gleichmäßige Bildung von Tobermorit begünstigen. Bei entsprechenden Proben zeigten sich deutlich weniger Poren in der Größenordnung von 1-5 μm, die einen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben könnten, was wiederum die mechanische Festigkeit verbessert. Diese Forschungsarbeit zeigt wie wichtig die räumliche Verteilung der festigkeitsgebenden Phasen für ein Baumaterial ist und wie nur kleine Veränderungen in der Reaktionskinetik einen großen Einfluss auf die Produkteigenschaften haben können.