Hydraulische Bindemittel im Wandel der Zeit

Univ.-Prof. Dr.-Ing Horst-Michael Ludwig hat zum 01.11.2009 die Nachfolge von Univ.- Prof. Dr.-Ing. habil. Jochen Stark am F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar angetreten. Unter anderem organisiert das Team vom
F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde die alle drei Jahre stattfindende internationale Konferenz ibausil (www.ibausil.de).

Geboren in Weimar, absolvierte Prof. Ludwig seine Ausbildung an der Hochschule für Architektur und Bauwesen (HAB) in Weimar und promovierte 1996 über die Rolle von Phasenumwandlungen bei der Frost- und Frost-Tausalz-Belastung von Beton. Anschließend war er leitender Angestellter bei der Schwenk Zement KG, Leiter der Forschung und Entwicklung der gesamten Schwenk-Gruppe sowie Geschäftsführer der ZEMBET-Entwicklungsgesellschaft mbH, einer gemeinsamen Forschungsgesellschaft mit der BASF AG, die sich mit der Erforschung und Optimierung des Zusammenwirkens von organischen Stoffen mit zementären Baustoffen beschäftigt. Seit 2008 war Prof. Ludwig als Leiter F&E/Innovation für die Betreuung und Koordination der F&E-Aktivitäten der HeidelbergCement-Gruppe weltweit zuständig. Er erhielt 1996 den Readymix-Förderpreis-Beton und war im Laufe seiner Karriere in verschiedenen Gremien und Ausschüssen tätig.

Als Institutsdirektor und Professor für Werkstoffe des Bauwesens wird Prof. Dr.-Ing. Ludwig die Entwicklung eines Instituts, welches in der Vergangenheit viele fundamentale Aspekte der Hydratation zementärer Bindemittel erforscht und publiziert hat, in Zukunft maßgeblich lenken und mit gestalten. Die ZKG INTERNATIONAL nahm die Neuberufung zum Anlass, die bisherige Karriere von Professor Ludwig im Baustoffsektor vorzustellen und ihm einige Fragen zu der Zukunft des Institutes und der hydraulischer Bindemittel zu stellen.

Prof. Ludwig: Natürlich ist Weimar aufgrund meiner persönlichen Verbundenheit mit der Stadt und den Menschen mehr als nur ein Standort. Die Professur  hat somit für mich eine ganz besondere Bedeutung, weit über das reine Aufgabenfeld hinaus.  Für meine berufliche Entwicklung war die solide und  praxisorientierte Ausbildung in Weimar eine hervorragende Grundlage, um die späteren Anforderungen im Beruf erfüllen zu können. Mir kam besonders zu gute, dass in Weimar umfassende Kenntnis von den Rohstoffen für die Baustoffherstellung bis hin zur Anwendung der Baustoffe im Bauwerk – quasi vom Steinbruch bis zum Spannbeton – vermittelt wurden. In der Baustoffforschung hat mein Vorgänger und Lehrer Herr Professor Stark das F.A. Finger-Institut für Baustoffe auf vielen Gebieten in die internationaler Spitze geführt. Es ist ganz klar, dass ich hier in Weimar in große Fußstapfen trete. Ich habe einen traditionell sehr wichtigen und gut entwickelten Fachbereich übernommen. Deshalb möchte ich das erfolgreiche Konzept weiterführen, d.h. es wird keine grundlegende inhaltliche Neuausrichtung geben.  Allerdings werde ich die Forschungsschwerpunkte um einige neue Aspekte erweitern.

Prof. Ludwig: Eine wichtige Zielstellung ist sicher, das System Beton so aktiv zu beeinflussen, dass die gewünschten Eigenschaften in einer zeitlich genau definierten Abfolge generiert werden können. Eine wesentliche Grundlage dafür bildet ein besseres Verständnis der Zementhydratation und entsprechende Modellierungen im thermodynamischen und kinetischen Bereich. Auf der Basis einer vernünftigen Modellbildung kann man dann über die Instrumentarien für eine aktive Einflussnahme diskutieren. Ein interessanter Ansatz ist hier die Schaltung von hydratisierenden Systemen. Ziel ist es, nach einer beliebig langen Verarbeitungsphase durch externe oder interne Schalter zeitlich definiert die Erhärtungsphase einleiten zu können (Bild 1).

Eine andere Einflussnahme ist über funktionalisierte Mahlhilfen möglich. Funktionalisierung bedeutet hierbei, dass durch die Mahlhilfen über ihre traditionelle Funktion (Durchsatzsteigerung, Dispergierung des Schüttgutes etc.)  hinaus gezielt Eigenschaften des Zementes beeinflusst werden können. Schon heute werden solche sogenannten „Quality Enhancer“ zur Erhöhung der Festigkeit, zur Chromatreduzierung oder zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit eingesetzt. Ein weiteres aktuelles Thema stellt die mögliche Interkalation von Polymeren in CSH-Phasen dar. Die Frage ist, ob und wenn ja unter welchen Rahmenbedingungen es möglich ist, Polymere in die Schichtstruktur der CSH-Phasen einzubauen und welche makroskopischen Änderungen des Materialverhaltens sich daraus ergeben würden. Um die Leistungsfähigkeit bezogen auf diese neuen Aufgabenstellungen weiter zu erhöhen ist mittelfristig die Integration der Professuren Bauchemie und Verfahrenstechnik/ Recycling in das F.A. Finger-Institut geplant. In dieser neuen Konstellation kann dann Baustofffor­schung entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Herstellung (einschließlich der Brenn- und Mahlprozesse) bis hin zur Anwendung im Bauwerk be­trieben werden.

Prof. Ludwig: In Deutschland kooperieren wir in vielen ­Projekten mit den maßgeblichen Baustoffinstituten. Es sind z.  B. Verbundforschungsprojekte zu multifunktionalen Werk­stoffen und auch zur Alkali-Kieselsäure-Reaktion geplant. International haben wir traditionell gute Beziehungen nach China und in den osteuropäischen Raum. In China hat Prof. Stark viele Kooperationen aufgebaut, die natürlich weiter gepflegt und ausgebaut werden sollen. Auch dort werden die Themen CO₂ –Reduzierung und alternative Bindemittelsysteme immer wichtiger. Gemeinsam mit der Hochschule Taschkent ist ein Projekt zur Sanierung der historischen Bausubstanz in Usbekistan geplant (Bild 2). Ausbauen möchte ich die Kontakte zu den europäischen Wissenschaftlern, die auf dem Gebiet der Zementchemie tätig sind und auch nach Nordamerika. Gerade bei den Betonthemen gibt es mit Nordamerika bzw. Kanada eine ganze Reihe von Schnittmengen.

Prof. Ludwig: Nicht allein aus monetärer Sicht werde ich die engen Kontakte mit der Industrie pflegen und vertiefen. Sie sind in vielerlei Hinsicht wichtig für den Fachbereich.  Für den Erfolg der am Institut sehr intensiv betriebenen Grundlagenforschung ist es entscheidend, sich permanent an der Wirklichkeit und Praxis zu kalibrieren. Wo sind die Zielstellungen, welche Themen sind relevant? Auch für die studentische Ausbildung ist es sinnvoll, die Kontakte mit den Industriepartnern möglichst früh zu initiieren und permanent zu pflegen. Auf diese Weise können sich zum einen die Studenten beruflich frühzeitig orientieren und auf der anderen Seite kann das Studium sich an den praktischen Bedürfnissen der potentiellen Arbeitgeber orientieren. Mein Vorgänger Prof. Stark war sehr aktiv in dieser Richtung, sowohl was Kontakte zur lokalen Industrie als auch zu überregional tätigen Großunternehmen angeht. Es gibt aber auch noch Industriebereiche, die ich gerne stärker in unsere Arbeit integrieren möchte, z.B. die Bauchemie, die eine zunehmend wichtigere Rolle im Baustoffsektor spielen wird.

Prof. Ludwig: Mit einem Anteil von ca. 5  % an den globalen anthropogenen CO₂-Emissionen ist die Zementindustrie unmittelbar von der aktuellen Klimadiskussion betroffen. Durch den CO₂-Emissionshandel ergibt sich nun neben den ökologischen Aspekt auch ein ökonomischer Faktor. Vor Kurzem war im Gespräch, die CO₂ -Zertifikate frei zu versteigern. Wie verschiedene Studien belegen, hätte dies für die deutsche Zementindustrie aber auch für die Umwelt verheerende  Folgen gehabt. In weiten Teilen Nord- und Mitteldeutschlands hätten Importe den Markt beherrscht. Industrieverlagerungen wären die Folge gewesen, ganz zu schweigen von der riesigen Menge an zusätzlichen CO₂ durch den Transport. Das System des Emissionshandels wäre damit konterkariert worden.

Vor diesen Hintergrund wurde durch die EU die richtige Entscheidung getroffen, der Zementindustrie und anderen Industrien der sogenannten Carbon Leakage Liste die CO₂-Zertifikate auch weiterhin im Rahmen von Benchmarks kostenfrei zuzuweisen. Das heißt aber nicht, dass dies über die Jahre so bleiben wird. In jedem Fall wird die Gesamtmenge an CO₂-Zertifikaten bis 2020 um 21 % gesenkt. Die Zementindustrie jedenfalls muss und wird über weitere Möglichkeiten der CO₂-Senkung nachdenken. Im Auftrag der G8 wurde von der Internationalen Energieagentur eine Technology Roadmap erarbeitet, in der die Maßnahmen für eine langfristige Senkung von CO₂-Emissionen im Zementsektor diskutiert werden. Obwohl ich nicht alle Punkte aus dieser Studie teile, macht sie doch einige bemerkenswerte Aussagen. Man geht davon aus, dass die globale Zementindustrie in der Lage ist, bis 2050 die CO₂-Emissionen um 17 % zu senken, obwohl sich die Welt-Zementproduktion laut Prognose bis dahin mehr als verdoppeln wird (Bild 3). Als wesentliches Instrumentarium, um diese Zielstellung zu erreichen, wird die CCS-Technik (Carbon Capture and Storage) angesehen. Sie soll  56  % zu der angestrebten Minderung beitragen. Demonstrationsprojekte zu dieser neuen Technik sind bereits in Vorbereitung. Um das Minderungsziel zu erreichen, müsste ab 2025 jeder neue Ofen mit einer solchen Anlage ausgerüstet werden, was mit enormen Kosten verbunden wäre. Ich persönlich habe erhebliche Zweifel, ob die CCS-Technik wirklich eine solche Bedeutung erlangen wird.

Daneben werden noch drei weitere Instrumentarien genannt, die bereits heute intensiv genutzt werden. Die Erhöhung der Energieeffizienz durch Verringerung des Energieverbrauchs bei der Klinkerherstellung von 4.2 auf 3.2 GJ/t_klinker soll ca. 10  % zur gesamten CO₂-Reduzierung beitragen. Durch die Erhöhung des Anteils alternativer Brennstoffe mit hohem Biomasseanteils von derzeit 3  % auf 37 % sollen 24  % der angestrebten CO₂-Minderung verwirklicht werden. Und schließlich soll auch die Verringerung des Klinkerzementfaktors von 79  % auf 71 % mit 10  % zur Gesamtreduzierung beitragen. Allerdings wird bei all diesen Betrachtungen davon ausgegangen, dass es in den nächsten Jahren keinen entscheidenden Technologiewandel in der Zementherstellung geben wird. Und genau
hier bin ich mir nicht sicher, weil der Druck doch sehr hoch ist und viele Forschungsvorhaben genau in diese Richtung ­gehen.

Prof. Ludwig: Die Beschäftigung mit alternativen Bindemittelsystemen ist eine unmittelbare Konsequenz aus der CO₂-Diskussion. Die Thematik lässt sich im Prinzip in vier Schwerpunkte untergliedern, die alle in Weimar bearbeitet werden. Der erste Schwerpunkt beschäftigt sich mit der möglichst weitreichenden Verringerung des Klinkerfaktors durch geeignete Kompositmaterialien. Die wichtigste Herausforderung dabei ist, die bekannte Performance eines Portlandzementes auch bei hohen Kompositanteilen zu erhalten. Insbesondere die Früh- und Frühstfestigkeit dieser Zemente kann für Anwendungen im Fertigteilwerk problematisch sein (Bild 4), wobei es eine Reihe von vielversprechenden neuen Lösungsansätzen zur Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit von komposithaltigen Zementen gibt. Eine weitere Frage ist die Verfügbarkeit reaktiver Kompositmaterialien. Wenn man einmal die verfügbare Menge dieser Materialien analysiert, dann kommt man auf eine Substitutionsrate von maximal 35  %. Deshalb suchen wir nach alternativen Kompositmaterialien. Beispielsweise soll bewertet werden, ob auch kalzinierte Tone oder modifizierte LD-Schlacken eingesetzt werden können.

Der zweite Schwerpunkt betrifft klinkerfreie bzw. klinkerarme Bindemittelsysteme. Sie werden derzeit meist nur für spezielle Anwendungen eingesetzt. Die Frage ist, wie Bindemittelsysteme wie beispielsweise Sulfathüttenzemente oder Geopolymere so modifiziert werden können, dass sie einer breiteren Anwendung zugeführt werden können.

Der dritte Aspekt betrifft das Aufgreifen bekannter CO₂-armer Bindemittelkonzepte, wie z.B. den aktiven Belit-Zement oder den Sulfoaluminatzement. Heutzutage können diese altbekannten Ansätze mit neuen technologischen Möglichkeiten weiterentwickelt und zur Anwendung gebracht werden.

Ein letztes und ganz entscheidendes Bearbeitungsfeld beschäftigt sich mit der Erforschung und Bewertung ganz neuer Bindemittelsysteme. Hier ist in letzter Zeit ja insbesondere der Celitement in den Mittelpunkt des Interesses gelangt. Dabei handelt es sich um  einen Zement, der durch Hydrothermalsynthese einer calciumarmen Rohmischung bei ca. 200 °C im Druckautoklav und anschließender Reaktionsmahlung des Zwischenproduktes mit einer SiO₂-Komponente hergestellt wird. Dieser Ansatz scheint mir ein unglaubliches Potenzial zu besitzen, da neben der Reduzierung von CO₂ und der Energieeinsparung auch eine neue Bindemittelperformance erreicht werden kann.  Dadurch, dass während der Hydratation von Celitement faktisch ausschließlich C-S-H-Phasen mit niedrigem C/S-Verhältnis entstehen, können zementäre Baustoffe in völlig neue Leistungsbereiche vordringen. Wichtig ist zunächst allerdings, dass das Upscaling des Verfahrens vom Labor in den industriellen Bereich gelingt und dass die Gebrauchseigenschaften des Bindemittels einschließlich des Dauerhaftigkeitspotentials ermittelt werden.

Prof. Ludwig: Der Baustoff der Zukunft wird in erster Linie sehr ökologisch ausgerichtet sein. Schon heute sind Themen wie die CO₂-Reduzierung oder die Nachhaltigkeit von Baustoffen bei vielen Baustofffirmen Bestandteil der Firmenphilosophie. Meine Erfahrungen aus der Industrie zeigen, dass die ökologische Ausrichtung der Baustoffe dabei nicht nur als Marketing-Instrument eingesetzt wird, sondern zunehmend Einfluss auf die Kaufentscheidung des Kunden nimmt. Eine besondere Rolle werden dabei zukünftig sogenannte EPD – Environmental Product Declaration spielen, die als Umweltdeklaration der Bauprodukte die Grundlage für Ökobilanzierungen bilden und verstärkt vom Verbraucher erfragt werden.

Auch gesundheitliche Aspekte werden zukünftig immer wichtiger werden, wie die aktuellen Entwicklungen im Bereich der Chromatreduzierung zementärer Systeme oder auch die Einführung von alkalifreien Spritzbetonbeschleunigern bereits heute erkennen lassen.

Neben dem Trend hin zu Bindemitteln mit verbesserter Ökobilanz ist erkennbar, dass die Zementhersteller ihre Produkte zunehmend auf spezifische Anwendungen abstimmen. Das frühere Prinzip des homogenen Massengutes, welches vom Kleber bis zur Spannbetonbrü­cke alle Applikationen abgedeckt hat, wird deshalb mehr und mehr durch hochspezialisierte, leistungsfähige Bindemittel ersetzt. Dies wird zu bislang noch nicht bekannten Leistungsklassen in Bezug auf Verarbeitbarkeit, Erhärtung und Dauerhaftigkeit führen.

Und nicht zuletzt wird der Baustoff der Zukunft auch multifunktional und wartungsarm sein. Wir haben schon Baustoffe zur Luftreinigung, zur Wärmespeicherung und selbstreinigende Systeme. Diese Entwicklung der Multifunktionalität, bei dem der Baustoff über die traditionelle statische Funktion weitere Aufgaben übernimmt, wird sich weiter fortsetzen. Die Baustoffe werden aber auch durch interne oder externe Schaltungssysteme, durch selbstheilende oder mittels Sensorik selbstdiagnostizierende Systeme intelligenter werden. In einer weiteren Zukunft sind auch Systeme basierend auf den Prinzipien der Biomineralisation denkbar, die die Baustoffe und das Bauen selbst nachhaltig verändern werden. Natürlich darf man bei all diesen Innovationen den ökonomischen Aspekt nicht außer acht werden. Mit einem jährlichen Verbrauch von
ca. 8 Mrd. m³ Beton und ca. 2 Mrd. t Zement haben wir es bei den wichtigsten Baustoffen mit absoluten Massenprodukten zu tun, die nicht eins zu eins durch hochpreisige Produkte ersetzt werden können.

Prof. Ludwig: Die neuen Möglichkeiten und Technologien wurden ja in der ZKG INTERNATIONAL bereits in einem zweiteiligen Beitrag von Dr. Möser behandelt. Die Stärken der Methode liegen sicher in der Kombination von ultrahochauflösender Abbildungstechnik und der Möglichkeit, sowohl unter Wasserdampfatmosphäre im Niedrigvakuum wie auch unbeschichtet im Hochvakuum bei sehr niedriger Beschleunigungsspannung zu mikroskopieren. Das Gerät selbst (Bild 5) erlaubt somit die Analyse von Strukturen, die wir vorher in dieser Deutlichkeit nie gesehen haben.

Es ist ideal geeignet zur Untersuchung von Oberflächeneffekten oder auch für die Darstellung sehr dichter Gefügestrukturen im Ultra-High-Performance-Concrete (Bilder 6–8). Neben der neuartigen Abbildungstechnik weist das Gerät eine Kryo-Präparationeinheit auf, mit deren Hilfe Hydratisierungsprozesse zeitaufgelöst untersucht werden können, ohne die entsprechenden Lösungsgleichgewichte zu stören. Neben dem allgemein bekannten EDS-System zur ortsaufgelösten Bestimmung der chemischen Zusammensetzung besteht nun erstmals auch die Möglichkeit, mittels Rückstreuelektronenbeugung (EBSD) kristallographische Daten zu gewinnen und damit ortsaufgelöst Informationen über den Mineralphasenbestand zu erhalten. Bei all den analytischen Möglichkeiten muss man allerdings betonen, dass die beste Ausstattung ihre Leistungsfähigkeit nicht ohne exzellentes Fachpersonal unter Beweis stellen kann. Ich bin sehr froh, dass wir in diesen Bereich mit Herrn Dr. Möser und seinem Team eine weltweit anerkannte Arbeitsgruppe aufweisen können.

Prof. Ludwig: Im zementanalytischen Bereich sind vier weitere Geräte in der Beschaffungsphase. Als erstes ist ein ICP-MS zur Spurenanalytik und zur Analyse von Porenlösungen geplant. Dann ist eine ortsaufgelöste RFA in der Anschaffungsphase. Im Moment werden RFA-Daten ja nur integral, z.  B. an Schmelz- oder Pulvertabletten, bestimmt. Dieses Gerät schließt die Lücke zwischen der herkömmlichen RFA und der EDS des Rasterelektronenmikroskops indem man auch auf makroskopischer Ebene die Elementverteilung bestimmen kann. Im Bereich der Mineralogie haben wir vor kurzem ein neues Röntgendiffraktometer mit sehr schnellem Detektor angeschafft, mit dem unsere Rietveldaktivitäten ausgebaut werden sollen. Schließlich werden wir noch ein neues IR-Gerät einschließlich Mikroskop bekommen, mit dem wir schwerpunktmäßig die Polymerforschung im Rahmen der Professur von Prof. Dimmig-Osburg vorantreiben wollen. Außer im zementanalytischen Bereich sind weitere Großgeräte insbesondere in den Bereichen  Bauwerksdiagnostik und Dauerhaftigkeit geplant oder wurden vor kurzem angeschafft wie z.B. das Geo-Radar-System, die Laser-Ultraschall-Technik (Bild 9) oder neue CDF-Prüfgeräte zur Frost-/Tauprüfung. Ein Großprojekt welches nichts mit Gerätschaften zu tun hat, welches wir jedoch unbedingt angehen müssen, ist die Instandsetzung des Institutsgebäudes. Gemeinsam mit der Hochschulleitung werden wir alles Erdenkliche tun, um den Bau schnellstmöglich in einen Zustand zu überführen, der einer Universität des Bauens würdig ist.

Prof. Ludwig: In der Lehre stellt der neu eingeführte Bachelor-/
Masterstudiengang für Baustoffingenieure, den wir mit sehr viel Vorbereitungsarbeit hier letztes Jahr etabliert haben, den Schwerpunkt unserer Arbeit dar. Ich bin fest davon überzeugt, dass bei der zunehmenden Komplexität der Baustoffsysteme neben den traditionellen Bauingenieur in der Praxis ein Baustoffingenieur benötigt wird, der neben den Grundlagen der Mechanik und der Baukonstruktion auch ein tiefes Verständnis für den Baustoff und die zugrundeliegende Bauchemie und Mineralogie mitbringt. Natürlich sind wir bei der Einführung des neuen Studienganges auch auf die Unterstützung der In­dustrie angewiesen, die gerade im Bau- und Baustoffbereich vor großen Herausforderungen steht und hierfür gut ausgebildete junge Menschen benötigt. Hier würde ich mir klare ­Signale aus der Industrie wünschen, die den jungen Menschen zeigen, dass das Baustoffingenieurwesen eine Ingenieurwissenschaft mit Zukunft und Perspek-tive ist.

Prof. Ludwig: Die ibausil hat über viele Jahre die Wirren der Zeit überstanden und sich zu einer festen Kongressveranstaltung entwickelt. Im letzten Jahr konnten wir bei der Ibausil in Weimar 750 Teilnehmer aus mehr als 40 Ländern begrüßen (Bild 10). Das Konzept ist also gut und erfolgreich. Ich möchte es, wenn überhaupt, dann nur sehr vorsichtig verändern. Dabei denken wir momentan über zwei Dinge ganz konkret nach. Die Ibausil ist eine der letzen großen deutschsprachigen Tagungen im Bereich der Baustoffwissenschaften. Dies soll auch so bleiben, da sich dadurch Baustoffinteressierte aller Ebenen in Weimar austauschen können. Auf der anderen Seite haben wir zunehmend auch internationalen Zuspruch von Wissenschaftlern, die die deutsche Sprache nicht beherrschen. Aus meiner Sicht müssen wir dem letztgenannten Umstand zukünftig besser gerecht werden. Desweiteren diskutieren wir derzeit darüber, ob es bei der Vielzahl der Themenstellungen nicht Sinn macht, jedem Schwerpunkt mit einem Plenarvortrag zu eröffnen. Ein international anerkannter Wissenschaftler könnte in diesem Vortrag in das Themenfeld einführen und den derzeitigen Wissensstand zusammenfassen. Ansonsten ist die Ibausil eine Tagung, die allen Beteiligten viel Freude macht und die in der bestehenden Form erhalten bleiben soll.