Carbonatisierung von Porenbeton

Winkels, Bernd; Lohaus, Ludger; Raupach, Michael

doi:44872

Carbonatisierung von Porenbeton = Carbonation of autoclaved aerated concrete

Winkels, Bernd^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Bernd Winkels

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Raupach, Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Lohaus, Ludger (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10879
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1023957/files/1023957.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustoffkunde - Bauwerkserhaltung (311310)

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)445500601 - Mechanismen der Carbonatisierung von Calciumsilikathydrat-Phasen in hydrothermal gehärteten porosierten Baustoffen (445500601) (445500601)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Calciumsilikathydrat (frei) ; Calciumsulfat (frei) ; Carbonatisierung (frei) ; Kristallinität (frei) ; Porenbeton (frei) ; Tobermorit (frei) ; Vaterit (frei) ; autoclaved aerated concrete (frei) ; calcium silicate hydrate (frei) ; calcium sulphate (frei) ; carbonation (frei) ; crystallinity (frei) ; tobermorite (frei) ; vaterite (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Porenbeton ist ein hydrothermal gehärteter, porosierter Baustoff. Ein hoher Porenanteil führt zu geringer Rohdichte und Wärmeleitfähigkeit, während die geschlossenzellige Struktur sehr tragfähig sein kann. Dadurch eignet sich Porenbeton beispielsweise für den Einsatz in monolithischen Mauerwerk-Konstruktionen. Während der hydrothermalen Härtung von Porenbeton entsteht das festigkeitsbildende Mineral 11 Å-Tobermorit, eine Calciumsilikathydrat-Phase (CSH-Phase). Die Struktur von Tobermorit kann durch Carbonatisierung verändert werden: Kohlendioxid führt in Verbindung mit Feuchtigkeit zu einer Phasenumwandlung von CSH-Phasen in die Calciumcarbonat-Polymorphe Calcit, Vaterit und Aragonit. Abhängig von der Phasenzusammensetzung und den Expositionsbedingungen können sich die mechanischen Eigenschaften durch Carbonatisierung in unterschiedlichem Maße verändern. Der Zusammenhang zwischen den Phasenumwandlungen und den mechanisch-physikalischen Eigenschaften von Porenbeton ist bislang jedoch nicht vollständig geklärt. Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsprojekts wurden an Modell-Porenbetonen, die unter realitätsnahen Bedingungen hergestellt wurden, umfassend die Phasenzusammensetzung und deren Umwandlung sowie die Veränderung mechanisch-physikalischer Eigenschaften infolge der Carbonatisierung untersucht, jeweils in Abhängigkeit verschiedener Sulfatgehalte der Rohstoffmischung sowie unterschiedlicher Autoklavier- und Umgebungsbedingungen. Innerhalb der untersuchten Bandbreite des Sulfatgehalts (ca. 1 bis 2,8 M. %) zeigte sich kein signifikanter Einfluss auf die Morphologie des Tobermorits oder dessen Verteilung in der Feststoffmatrix. Entgegen der Erwartung erwiesen sich Modell-Porenbetone mit geringeren Sulfatgehalten teilweise als widerstandsfähiger gegenüber Phasenumwandlungen als solche mit Sulfatgehalten im vermeintlichen Optimum. Entscheidender als der Sulfatgehalt waren jedoch die Autoklavierbedingungen und die daraus resultierende Phasenzusammensetzung. Eine stärker kristalline Phasenausbildung zeigte erwartungsgemäß im Vergleich zu gering kristallinen Strukturen einen höheren Widerstand gegen Carbonatisierung. Ein Vergleich zweier Rohdichtebereiche zeigt, dass das Carbonatisierungsverhalten der Porenbetonmatrix im oberflächennahen Bereich unabhängig von der Rohdichte vergleichbar ist. Unter natürlichen CO₂-Konzentrationen und einer relativen Luftfeuchte von 65 % carbonatisieren allgemein zuerst die amorphen CSH-Phasen, während Tobermorit nahezu unverändert erhalten bleibt. Bei einer zwölffach erhöhten CO₂-Konzentration und gleicher relativer Luftfeuchte zeigt sich hingegen zunächst eine kontinuierliche Phasenumwandlung, welche schließlich in eine Progression der Umwandlungskinetik übergeht. Dies führt zu einem vollständigen Abbau des Tobermorits sowie einer überproportional zunehmenden Bildung von Vaterit, da die hohen CO₂-Konzentrationen sowohl die Reaktionsmechanismen als auch die Reaktionskinetik beeinflussen. Zudem konnte gezeigt werden, dass dieser Prozess zu einer verstärkten Schwindverformung infolge der Carbonatisierung führt. Ausgeprägte Carbonatisierungsgradienten über den Querschnitt sowie die daraus resultierenden Schwinddehnungs- und Spannungsgradienten zwischen Oberfläche und tieferen Schichten führen zu multipler Rissbildung, die das Trag- bzw. Verformungsverhalten indirekt beeinflusst. Zusätzlich wirkt sich die Phasenumwandlung auch direkt auf die mechanischen Eigenschaften aus, wie unter anderem durch Zugversuche nachgewiesen werden konnte.

Autoclaved aerated concrete is a hydrothermally cured, porous building material. Its high pore volume fraction results in low bulk density and thermal conductivity, while the closed-cell microstructure can nevertheless provide substantial load-bearing capacity. Consequently, autoclaved aerated concrete is suitable for use in monolithic masonry structures. During hydrothermal curing, the strength-giving mineral 11 Å tobermorite, a calcium silicate hydrate (CSH) phase, is formed. The structure of tobermorite is susceptible to alteration through carbonation: in the presence of moisture, carbon dioxide induces the transformation of CSH phases into the calcium carbonate polymorphs calcite, vaterite, and aragonite. Depending on the phase assemblage and exposure conditions, carbonation can affect the mechanical properties to varying extents. However, the relationship between these phase transformations and the mechanical and physical properties of autoclaved aerated concrete remains insufficiently understood. Within a research project funded by the German Research Foundation (DFG), the phase assemblage and its transformation, as well as the changes in mechanical-physical properties induced by carbonation, were comprehensively investigated on model autoclaved aerated concretes produced under realistic conditions. The study systematically examined variations in the sulphate content of the raw material mixture and the effects of different autoclaving and environmental conditions. Across the investigated sulphate range (approximately 1 to 2.8 wt.%), no significant influence on the morphology or spatial distribution of tobermorite within the solid matrix was observed. Contrary to expectations, model autoclaved aerated concretes with lower sulphate contents exhibited, in some instances, greater resistance to phase transformation than those with sulphate contents near the presumed optimum. More influential than sulphate content, however, were the autoclaving parameters and the corresponding resulting phase assemblage. As anticipated, a more crystalline phase assemblage displayed higher resistance to carbonation compared to structures with limited crystallinity. A comparison of two bulk-density classes demonstrated that the carbonation behaviour of the matrix in the near-surface region is comparable regardless of bulk density. Under natural CO₂ concentrations and a relative humidity of 65 %, carbonation progressed primarily within the amorphous CSH phases, whereas tobermorite remained largely intact. In contrast, exposure to a twelvefold increase in CO₂ concentration under the same humidity conditions resulted initially in a continuous phase transformation that subsequently transitioned into accelerated transformation kinetics. This induced a complete decomposition of tobermorite and a disproportionately high formation of vaterite, as elevated CO₂ concentrations modify both the reaction mechanisms and the reaction kinetics. Furthermore, it was shown that this process leads to enhanced shrinkage deformations associated with carbonation. Pronounced carbonation gradients across the specimen cross-section, together with the resulting strain and stress gradients between surface and interior regions, give rise to multiple cracking, which indirectly affects load-bearing and deformation behaviour. In addition to this cracking, the phase transformation itself exerts a direct influence on mechanical properties, as demonstrated, among other methods, through tensile testing.

OpenAccess:
PDF
(additional files)