Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Doo-Yeol Yoo von der Yonsei-Universität in Südkorea hat in der Fachzeitschrift „Cement and Concrete Research“ eine Studie veröffentlicht, in der erstmals pulverförmiges Calciumhydroxid (CH) als alkaliaktivativer Initiator verwendet wurde, um vollständig zementfreie, ultraduktile, dehnungsverfestigende Schlacken-Verbundwerkstoffe (SHSC) zu entwickeln.
Die Studie befasst sich mit den Problemen traditioneller dehnungsverfestigender zementgebundener Verbundwerkstoffe (SHCC/ECC), die stark von Portlandzement abhängen und deren CO₂-Emissionen mehr als das 2,2-fache von normalem Beton betragen, sowie mit den Mängeln gängiger natriumbasierter Alkaliaktivierungssysteme, wie der Migration freier Natriumionen und Ausblühungen und den Schwierigkeiten bei der Verarbeitung von stark alkalischen Flüssigkeiten. Sie untersucht systematisch den Regelmechanismus des CH-Gehalts (2,5 % bis 15 % der Schlackenmasse) auf die Hydratationskinetik der Schlacke, den Polymerisationsgrad des Gels, die Grenzflächeneigenschaften und das Verhalten bei Mehrfachrissbildung. Die Studie hielt ein Wasser-Bindemittel-Verhältnis von 0,18 konstant, ersetzte 20 % der Schlacke äquivalent durch Silikastaub und fügte 2 Vol.-% Polyethylen(PE)-Fasern hinzu, um die dehnungsverfestigenden Eigenschaften zu erreichen.
TG/DTG-, pH- und ICP-OES-Testergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung des CH-Gehalts den Alkalitätsgrad der Porenlösung im System signifikant steigern kann, mit einem maximalen pH-Wert von 12,32, und die Bildung von Hydratationsprodukten wie C-S-H-Gel und Hydrotalcit fördert. ²⁹Si-NMR-Ergebnisse bestätigen, dass mit der Erhöhung des CH-Gehalts von 2,5 % auf 15 % die mittlere Kettenlänge (MCL) der Siliciumtetraeder im C-S-H-Gel von 3,14 auf 6,29 ansteigt, was auf eine signifikant erhöhte Polymerisation des Silikatnetzwerks hindeutet. SEM-Analysen zeigen, dass eine Erhöhung des CH-Gehalts die Grenzflächen-Übergangszone zwischen Faser und Matrix verdichten und den Faserauszugswiderstand erheblich erhöhen kann.
Tests der makroskopischen mechanischen Eigenschaften zeigen, dass die Druckfestigkeit mit steigendem CH-Gehalt stetig zunimmt. Die 28-Tage-Druckfestigkeit der Gruppe mit 15 % CH erreichte 61,9 MPa, was einer Steigerung von 18,8 % gegenüber der Gruppe mit 2,5 % CH entspricht. Die Zugdehnung aller Gruppen überschritt 8 %. Die Gruppe mit 15 % CH erzielte die beste Gesamtleistung mit einer Zugfestigkeit von 10,05 MPa, einer Zugdehnung von 9,19 % und einer Dehnungsenergiedichte von 664,9 kJ/m³. Ihre Zugduktilität erfüllt die Anforderungen der Baustahl-Norm HRB400. Durch quantitative Analyse mittels DIC (Digital Image Correlation) wurde eine durchschnittliche Rissbreite von nur 89–127 µm bei maximaler Dehnung ermittelt.
Die Ergebnisse der Ökobilanz (Life Cycle Assessment) zeigen, dass die CO₂-Emissionen der optimalen Gruppe mit 15 % CH bei 409,05 kg/m³ liegen, was einer Reduzierung um 70,2 % gegenüber traditionellen zementgebundenen SHCC und um 38,01 % gegenüber natriumbasierten alkaliaktivierten dehnungsverfestigenden Systemen entspricht. Der kumulierte Energieaufwand (Embodied Energy) beträgt 8,50 GJ/m³, was einer Reduzierung von 23,9 % gegenüber zementgebundenen Systemen entspricht.
