From common clays to Geopolymer binders - crystallographic and building material technology-based investigations
Final Report Abstract
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.
Publications
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