Jenseits der Farbe: Oxidationsfronten in hüttensandhaltigen Zementen mit Mn-K-XANES

Hüttensand (GGBFS) wird häufig als Bestandteil von Zementen und als Ausgangsstoff für alkalisch aktivierte Materialien eingesetzt. Neben seinem Beitrag zu CO2-ärmeren Bindemitteln erzeugt GGBFS stark reduzierende Bedingungen in zementgebundenen Materialien, die erhebliche Auswirkungen auf die Bewehrungskorrosion und andere dauerhaftigkeitsrelevante Prozesse haben können. Bei Kontakt mit Luft zeigen diese Materialien typischerweise einen Farbumschlag von blau-grün zu weiß, der häufig als Oxidationsfront interpretiert wird. Doch zeigt diese sichtbare Front tatsächlich, wie weit die Oxidation fortgeschritten ist? 

Diese Studie untersucht diese Frage mithilfe ortsaufgelöster Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie an der Mn-K-Kante, mit der das Fortschreiten der Oxidation innerhalb hüttensandhaltiger Zementpasten direkt verfolgt werden kann. Mangan eignet sich dabei besonders gut als Redoxindikator. Reduzierte Schwefelspezies oxidieren bei Kontakt mit Luft rasch, während Mn langsamer oxidiert und die Lage seiner XANES-Absorptionskante empfindlich auf seinen Oxidationszustand reagiert. Eine anhaltende Mn-Oxidation tritt erst auf, nachdem die reduzierten Schwefelspezies vollständig oxidiert wurden. Untersucht wurden ein Hochofenzement (CEM III/B), ein alkalisch aktivierter Hüttensand (S100) sowie ein alkalisch aktiviertes Gemisch aus calciniertem Ton und Hüttensand (C40S60). Messungen an der BAMline am BESSY II ermöglichten die Erstellung räumlicher Oxidationsprofile von der exponierten Probenoberfläche bis zum Probenzentrum. 

Die Ergebnisse zeigen eine grundlegende Einschränkung der rein visuellen Bewertung anhand der Farbe. Bei CEM III/B reichte die Mn-Oxidation bis in eine Tiefe von etwa 4 mm, während der graduelle Farbübergang eine genaue visuelle Bestimmung verhinderte. Noch deutlicher war die Abweichung bei S100: Eine klar erkennbare Farbänderungsfront lag bei etwa 1,5-2 mm, obwohl mittels XANES selbst am Probenrand keine Mn-Oxidation nachgewiesen wurde. Der hellere Bereich zeigte somit eine teilweise Oxidation der Schwefelspezies und keine vollständige Oxidation an. In der heterogenen C40S60-Paste hingegen konnte visuell keine eindeutige Front erkannt werden, während XANES auf eine beginnende Mn-Oxidation in den äußeren etwa 2,5 mm hinwies. 

Damit kann die Mn-K-Kanten-XANES-Spektroskopie Oxidationsfronten sichtbar machen, die durch visuelle Beurteilung falsch eingeschätzt oder sogar vollständig übersehen werden können. Durch die ortsaufgelöste Erfassung des Redoxzustands hüttensandhaltiger Bindemittel geht dieser Ansatz deutlich über die konventionelle Bewertung anhand von Farbänderungen hinaus und eröffnet einen neuen Weg zur Untersuchung von Oxidationsprozessen, die für die langfristige Dauerhaftigkeit und das Korrosionsverhalten CO2-armer zementgebundener Materialien von Bedeutung sind. 

Determination of the oxidation depths of ground granulated blast furnace slag-containing cement pastes using Mn K-edge X-ray absorption near-edge structure spectroscopy 
Luís U. D. Tambara Jr., Ali Nikoonasab, Martin Radtke, Ana Guilherme Buzanich, Gregor J. G. Gluth. 
Journal of the American Ceramic Society, 2026