Vom gemeinen Ton zum Geopolymer-Bindemittel - kristallographische und baustofftechnologische Grundlagenuntersuchungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Geopolymere auf der Basis calcinierter gemeiner Tone können Baustoffe der Zukunft sein, da bei der Herstellung geringere CO2-Emissionen anfallen und sie sich durch höhere thermische Stabilität sowie Säureresistenz gegenüber konventionellen zementgebunden Systemen auszeichnen. Ziel der Arbeit war es, durch mineralogische und baustofftechnologische Untersuchungen an calcinierten Modelltonen sowie calcinierten gemeinen Tonen, ein vertieftes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Materialeigenschaften und Prozessparametern während der thermischen und alkalischen Aktivierung und den resultierenden Baustoffeigenschaften von Mörteln und Betonen auf Basis von Geopolymer-Bindemitteln zu gewinnen. Dafür wurden dioktaedrische Tonminerale mit Si:Al- Verhältnissen von 1:1 bis 2:1 betrachtet. Das Lösungsverhalten der calcinierten Modelltonminerale in hochalkalinen Lösungen (pH > 14) bildet die Grundlage für die Polymerisation des Bindemittels. Während sich die Dehydroxylierungstemperatur für den cis-vakanten Smectit (663 °C) und den trans-vakanten Illite (504 °C) deutlich unterscheiden, liegt die optimale Calcinierungstemperatur für beide Materialien bei 750 °C und damit nah bei der optimalen Calcinierungstemperatur für das 1:1 Schichtsilicat Kaolinit (TDHX 583 °C). Der untersuchte Metakaolinit und Metaillit lösten sich innerhalb von 7 d stöchiometrisch, aber nicht vollständig. Der untersuchte Metamontmorillonit löste sich innerhalb von 7 d nicht stöchiometrisch und ebenfalls nicht vollständig. Die unvollständige und nichtkongruente Löslichkeit der Metatonminerale sowie der Begleitminerale in den calcinierten gemeinen Tonen muss bei der Herstellung von Geopolymeren berücksichtigt werden, um eine Karbonatisierung durch überschüssiges Na aus der Aktivatorlösung zu vermeiden. Mittels DFT-Berechnungen wurden das Dehydroxylierungsverhalten und die stabile Zwischenphasen für Kaolinitpolytypen bestimmt. Dehydroxylierte dioktaedrische Smectite zeigen deutliche Rehydroxylierung bei Lagerung unter Umgebungsbedingungen. Mg in der Zwischenschicht führt zu einem deutlich höheren Rehydroxylierungsgrad als Na bzw. Ca in der Zwischenschicht. Der Einfluss auf die Reaktivität soll in einem Nachfolgeprojekt untersucht werden. Aus allen Metatonmineralen konnten wasserglasfreie Geopolymere mit Na:Al 1:1 hergestellt werden. Das Si:Al-Verhältnis wurde durch Zugabe von SiO2 oder Al(OH)3 variiert und für die verarbeitbaren Mischungen wurde die Härte und der E-Modul mittels Nanoindentation bestimmt. Die Werte für die Härte (10 MPa-1,1 GPa) und das E-Modul (0,4-30 GPa) lagen in den Größenordnungen, welche für konventionelle Zementleime bekannt sind. Die Skalierung der Härte auf Druckfestigkeiten soll in Folgeuntersuchungen erfolgen. Es konnten für die Verwendung von calcinierten gemeinen Tonen als Präkursoren für die Herstellung von Geopolymeren unter Berücksichtigung des Einsatzes als Baustoff erste Parameter festgelegt werden, welchen die gemeinen Tone entsprechen sollten. Die Eingrenzung der Parameter der Tone ist ein erster Schritt für eine breite Anwendung der Geopolymere im Baustoffsektor. Daraus resultierende Rezepturen für Mörtel und Beton zeigen, dass die Festigkeiten und weiteren mechanischen Eigenschaften der Probekörper ein hohes Potenzial zum Einsatz als Baustoff aufweisen. Mit Hilfe der richtigen Tone und einer abgestimmten Rezeptur lassen sich Druckfestigkeiten von bis zu 90 MPa (Mörtelprismen) erreichen. Bei den Dauerhaftigkeitsuntersuchungen der Bindemittel und der daraus hergestellten Geopolymermörtel und Geopolymerbetone zeigte sich, dass die Porosität und Gefügestruktur maßgeblich die Qualität der Materialien bestimmen. Jedoch werden diese Parameter von vielen Einflussfaktoren beeinflusst, welche schwer voneinander zu separieren sind. Ein Schwerpunkt hierbei war das Thema der Karbonatisierung der erhärteten Geopolymere. Vor allem der Aspekte der Dauerhaftigkeit sollte Gegenstand zukünftiger Forschungen sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017). Entwicklung der Porosität und Permeabilität von Metaton-basierten Geopolymeren. GDCH Tagung Bauchemie, Weimar, Deutschland
Dathe, F., Steudel, A., König, A., Emmerich, K., Dehn, F.
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(2017). Structural modifications of kaolinite induced by thermal activation. 16th International Clay Conference, Granada, Spain
Steudel, A., Schuhmann, R., Thissen, P., Dathe, F., Schmidt, C., Dehn, F., Guthausen, G. & Emmerich, K.
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(2019). Formation of metakaolinite and metadickite during dehydroxylation. Euroclay, Paris, France
Emmerich, K., Izadifar, M., Steudel, A., Kleeberg, R., Kaufhold, S., Ufer, K., Schuhmann, R., Dehn, F. & Thissen, P.
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(2019). Nanoindentation to evaluate the mechanical properties of geopolymers: first steps. GeoMünster, Münster
Werling, N., Schwaiger, R., Dehn, F., Schuhmann, R., & Emmerich, K.
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(2020). Comprehensive examination of dehydroxylation of kaolinite, disordered kaolinite, and dickite: experimental studies and density functional theory. Clays and Clay Minerals, 68, 319-333
Izadifar, M., Thissen, P., Steudel, A., Kleeberg, R., Kaufhold, S., Kaltenbach, J., Schuhmann, R., Dehn, F. & Emmerich, K.
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(2020). Solubility of precursors and carbonation of waterglass-free geopolymers. Clays and Clay Minerals, 68, 524-531
Werling, N., Dehn, F., Krause, F., Steudel, A., Schuhmann, R., & Emmerich, K.
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(2021) Influence of lime, calcium silicate and portlandite on alkali activation of calcined common clays, Open Ceramics 7
Dathe, F., Strelnikova, V., Werling, N., Emmerich, K., & Dehn, F.
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(2021). Comparison of micromechanical and macromechanical properties of geopolymers. 3rd International Conference on the Chemistry of Construction Materials, Karlsruhe, online
Werling, N., Schwaiger, R., Hirsch, A., Dehn, F., Schuhmann, R., & Emmerich, K.
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(2021). Evaluation of Common and Dirty Clay Deposits by an IR Spectroscopic Method – Towards Alkali Activation and Pozzolanic Applications. 3rd International Conference on the Chemistry of Construction Materials, Karlsruhe, online
Dathe, F., Dehn, F.
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(2021). Thermal activation of kaolinite, disordered kaolinite and dickite: Experimental studies and Density Functional Theory (DFT). 3rd International Conference on the Chemistry of Construction Materials, Karlsruhe, online
Emmerich, K., Izadifar, M., Steudel, A., Kleeberg, R., Kaufhold, S., Kaltenbach, J., Schuhmann, R., Dehn, F. & Thissen, P.
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(2022). Rehydroxylation of calcined swellable clay minerals at ambient conditions. Calcined Clays for Sustainable Concrete 2022, Lausanne, Switzerland
Werling, N., Kuligiewicz, A., Steudel, A., Schuhmann, R., Dehn, F., & Emmerich, K.
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(2022). Solubility of Calcined Clay Minerals and Suitability as Precursors for Geopolymers. Calcined Clays for Sustainable Concrete 2022, Lausanne, Switzerland
Werling, N., Kaltenbach, J., Schuhmann, R., Dehn, F., & Emmerich, K.
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(2022). Solubility of Calcined Kaolinite, Montmorillonite, and Illite in High Molar NaOH and Suitability as Precursors for Geopolymers. Clays Clay Minerals, 70, 270–289
Werling, N., Kaltenbach, J., Weidler, P.G., Schuhmann, R., Dehn, F., & Emmerich, K.
