Der Einfluss von Kalzinierungsbedingungen und verschiedenen Zusammensetzungen auf die Reaktivität und Eigenschaften von Ziegeltonen verwendet als Zusatzstoffe in Beton

Calcined clays as supplementary cementitious materials (SCMs) have been identified and credited to be a viable solution in mitigating the CO2 emissions related to cement production and consumption. Calcined clays range from a variety of different clay types based on an assortment of varying minerals and compositions. While extensive data is available on kaolinitic clays (based on the 1:1 clay type), other clays such as brick clays (based on the 2:1 clay type) are currently understudied, although such clays are largely more available than the kaolinitic clays. The aim of this thesis is to draw attention to the varying compositions present in two selected brick clays in Germany and elaborate on how such compositions affect their suitability to be used as SCMs in blended cement systems. The novelty of this thesis explains the relationship between the reactivity of the bricks to their varying compositions and their suitability for their employment as SCMs. This was based on their chemical and physical transformations in the calcination temperature range 650–900 or 950 °C, and the performance of the calcined brick clays in blended cement systems measured by their heat evolution, strength development and durability-related properties. The results of their performance were compared to two kaolinitic clays with varying compositions. While the kaolinitic clays generally exhibited the best performance as SCMs, the brick clay with a lower Fe2O3 content showed promising results similar to the kaolinitic clays when an optimum calcination temperature is applied and when substituted at a moderate cement substitution rate. Thus, this finding promoted further efforts made to improve the reactivity of the brick clay by producing a mixed clay composed of 50 % brick clay (with lower Fe2O3 content) and 50 % kaolinitic clay. The mixed clay was compared to the two individual brick clays and one kaolinitic clay, whereby optimum calcination conditions were performed in large-scale simulating an industrial-scale production of SCMs. All calcined clays exhibited pozzolanic reactivity, with the performance of the brick clays inferior to the kaolinitic clay, however, the mixed clay performed very similar to the kaolinitic clay. At a similar degree of hydration compared to plain Portland cement, the good performance of the mixed clays was especially evident in the strength development and improved chloride penetration resistance, which was caused by a refinement in the pore structure in the cementitious systems. Moreover, it was deduced that not only the high surface area, but also, the solubility of Si and Al ions in the resulting calcinate of the mixed clays plays a significant role when calcined at ~600–700 °C, which points to viable options for optimal employment of brick clays in cementitious systems.Die bei der Zementproduktion freigesetzte CO2-Menge und die daraus resultierenden Folgen für das Klima machen die Entwicklung von Zementersatzstoffen mit geringerem CO2-Fußabdruck erforderlich. Als besonders vielversprechend haben sich dabei die kalzinierten Tone erwiesen. Bei diesen handelt es sich um komplexe Systeme, bestehend aus einer Vielzahl verschiedener Tonminerale in variierender Konzentration und Zusammensetzung. Während für kaolinitische Tone (basierend auf 1:1 Tonmineralarten) bereits umfangreiche Daten gesammelt werden konnten, ist der Kenntnisstand zu anderen Tonarten z.B. Ziegeltonen (basierend auf 2:1 Tonmineralarten) derzeit noch unzureichend. Besonders vor dem Hintergrund der erheblich größeren Verfügbarkeit dieser Tonarten stellt dies einen erheblichen Nachteil dar. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand zweier Ziegeltone aus Deutschland, aufzuzeigen welche Auswirkung die unterschiedliche Zusammensetzung der Tone sowohl auf die Reaktivität als auch auf den Einsatz als Zementersatzstoffen in Mischzementsystemen hat. Entsprechende Änderungen in der Zusammensetzung der kalzinierten Tone wurden durch die Variation der Kalzinierungstemperatur im Temperaturbereich zwischen 650 °C und 900 °C bzw. 950 °C und den folglich unterschiedlich ablaufenden chemischen und physikalischen Umwandlungsprozessen der Tonminerale erreicht. Die Leistungsfähigkeit dieser Systeme wurde anhand der Wärme- und Festigkeitsentwicklung sowie den Dauerhaftigkeitseigenschaften bewertet. Als Referenzsysteme dienten zwei 1:1 Tone mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Die bei den 1:1 Tonen erzielten Reaktivitäten waren im Vergleich zu den Ziegeltonen zwar höher, aber bei entsprechender Kalzinierungstemperatur und moderater Zementersatzrate konnten auch bei den Ziegeltonen vielversprechende Ergebnisse erzielt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden in einem weiteren Schritt Mischtone, bestehend aus kaolinitischem Ton und Ziegelton mit geringerem Fe2O3 Gehalt (50:50), untersucht. Zur Bewertung wurden die zuvor untersuchten Ziegeltone und ein 1:1 Ton herangezogen. Bei allen kalzinierten Tonen konnte die pozzolanische Reaktion nachgewiesen werden, wobei der Ziegelton die geringsten und die 1:1 Tone die höchsten Werte lieferte. Das Mischtonsysteme sind leistungstechnisch bei den 1:1 Tonen einzuordnen. Die strukturverfeinernde Wirkung des Mischtons beim Einsatz als Zementersatz in Portlandzementsystemen führte sowohl bei der Festigkeitsentwicklung als auch beim Chlorideindringwiderstand zu einer Leistungssteigerung. Zudem konnte gezeigt werden, dass nicht nur die große spezifische Oberfläche, sondern auch die hohe Löslichkeit der Si- und Al-Ionen in den Kalzinaten der bei ~600-700 °C kalzinierten Mischtone einen großen Einfluss hat und den Einsatz der Ziegeltone in zementären Systemen begünstigt. Die Möglichkeit zur Herstellung von Zementersatzstoffen im industriellen Maßstab konnte durch Versuche im Großmaßstab ebenfalls nachgewiesen werden