Untersuchungen zur Bildung und Struktur amorpher Alumosilicathydrate nach alkalischem Löseangriff in Relevanz zur Dauerhaftigkeit von mineralischen Bauwerkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die in Bezug auf zementäre Bindemittel (Vermeidung von AKR) und alkali-aktivierte Bindemittel (Geopolymere) durchgeführten Untersuchungen an synthetischen Alkalialumosilicathydraten und an solchen aus Gesteinskörnungen bzw. reaktiven Feststoffen und Lauge zeigen, dass die Bildungsreaktionen nach denselben Syntheseprinzipien verlaufen. Es entstehen in dem für zementäre Systeme relevanten Bereich der Temperatur und der Si/Al-Verhältnisse Produkte mit einem bevorzugten Si/Al-Bereich von 1 bis 1,5. Produkte, die auf diesen Synthesewegen hergestellt werden, enthalten stets mehr als 1 Mol Alkalien/ 1 Mol Al. Das bedeutet, dass diese Stoffe die maximale Alkalibindekapazität erreicht bzw. überschritten haben und deshalb keine weiteren Alkalien chemisch binden können. Sie sind deshalb nicht in der Lage, weiter als Alkalipuffer im Zementstein zu wirken. Durch die Wahl der Ausgangsstoffe wird maßgeblich der Umsatz zu Alumosilicaten bestimmt. Geht man von amorphem SiO2 in Form von Kieselsol als Silicatquelle aus, so ist der Umsatz zu Alumosilicat stark temperaturabhängig und die entstehenden Produkte enthalten bis 60°C noch unumgesetztes SiO2, sind dafür aber im Vergleich zu aus Kaliumwasserglas synthetisierten Alumosilicaten besser strukturell geordnet. Bei dem letztgenannten Syntheseweg erreicht der Umsatz jedoch stets höhere Werte. Diese Ergebnisse belegen, dass für die Bildung der Alumosilicate die Verfügbarkeit von gelösten Silicatspezies eine entscheidende Bedeutung besitzt. Der strukturelle Aufbau der synthetisierten Produkte ist gekennzeichnet durch eine ausschließlich dreidimensional vernetzte Struktur von alternierenden Silicat- und Aluminattetraedern, die mit zunehmender Synthesetemperatur kristallin in Zeolithstruktur vorliegen. Sind weniger Aluminat- als Silicatbausteine durch die Wahl der Synthesebedingungen verfügbar, treten in den Produkten auch Strukturen auf, in denen Siliciumatome von weniger als 4 Aluminium umgeben sind. Es treten Si-O-Si-Bindungen auf, das dreidimensionale Netzwerk bleibt jedoch erhalten. Untersuchungen zur Stabilität in KOH und Wasser belegen, dass Alkalialumosilicate partiell zwar in Wasser und Kalilauge löslich sind, aber dabei strukturstabil in dreidimensionaler Vernetzung bleiben. Die Volumenstabilität solcher Alumosilicate, die anhand der einaxialen Dehnung von gepressten Tabletten bei 75% relativer Luftfeuchte bestimmt wurde, zeigt eine zunehmende Tendenz bei steigendem Si/Al-Verhältnis, ist jedoch nicht vollständig gegeben. Im Vergleich zu einem reinen Alkalisilicathydrat ist die Dehnung stets geringer und wird durch die Anwesenheit von Calcium im Bereich von Si/Al = 1 bis 1,5 weiter herabgesetzt. Calciumionen können bevorzugt bei einem Si/Al- Verhältnis von 1,1 als separate CSH-Phasen vorliegen, wenn die Synthesetemperatur 20°C beträgt. Bei einem höheren Si/Al-Verhältnis und steigender Temperatur werden sie sehr wahrscheinlich in das Alumosilicatnetzwerk eingebaut, wobei auch kleine Calciumgehalte zu starken Strukturveränderungen in Richtung höherer struktureller Ordnung und dem Auftreten von Si-reicheren Baueinheiten führen. Die so entstandenen Produkte sind stabiler in alkalischer Lösung und dehnen bis Si/Al ≤ 1,5 weniger als die entsprechenden calciumfreien Alumosilicate. Aus diesen Eigenschaften der Alkalialumosilicate lassen sich bezüglich einer AKR im Beton folgende Schlussfolgerungen ziehen: • Aluminiumliefernde Gesteinskörnungen sind aus chemischer Sicht weniger AKR-gefährdet, weil durch Aluminium ein Teil des gelösten SiO2 als Alumosilicat gebunden wird. • Die Bildung von Alumosilicaten kann auch durch Al-haltige Zusatzstoffe begünstigt werden. • Die während einer AKR unter Aluminiumanwesenheit gebildeten Produkte sind zwar nicht vollständig in alkalischer Lösung unlöslich und können auch quellen, führen jedoch zu einer erheblichen Inhibierung der Schädigungsprozesse, so dass die Dauerbeständigkeit über die projektierte Lebenszeit gewährleistet wird. Bei der Erzeugung von Geopolymeren stellt die Bildung von Alumosilicaten mit Si/Al = 1:1 den Basisprozess dar. Während sich im Beton eine Präsenz von gelöstem Silicat schädigend (AKR) auswirken kann, insbesondere dann, wenn nicht ausreichend Aluminat verfügbar ist, – kann im Hinblick auf alkali-aktivierte Binder aus reaktiven Feststoffen und Lauge durch Zusatz von Silicat eine Steigerung des Reaktionsumsatzes erzielt werden. Dabei wird das verfügbare Silicat in Alumosilicathydraten eingebunden, so dass eine für praktische Zwecke ausreichende Beständigkeit alkali-aktivierter Binder gegenüber Wasser erreicht werden kann. Erfolgt die alkalische Aktivierung unter Zusatz von CaO, wird der Reaktionsumsatz gesteigert und der Einbau von Calcium in das alumosilicatische Netzwerk von der Höhe der Laugenkonzentration beeinflusst. Bei einer Alkalikonzentration von 1 mol/l und kleiner wird die Entstehung von C-(A)-S-H-Phasen begünstigt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Bildung und Struktur von Alumosilicathydraten in Alkali-Aktivierten Bindemitteln. GDCh-Monographie, 45 (2012) 209-214
Seiffarth, T.; Hohmann, M.; Kaps, Ch.
- Characterization of alumino-silicate hydrate gels formed in alkaline media. 6th Mid-European Clay Conference MECC2012, 04. – 09. September 2012, Pruhonice near Prag (Tschechien)
Seiffarth, T.; Hohmann, M.; Kaps, Ch.
- Strukturbildung und Eigenschaften von Alumosilicathydraten in Baustoffen. Proceedings 18th ibausil 2012, V.2.44
Hübert, C.; Hünger, K.-J.
