Identifikation von Wirkmechanismen herkömmlicher Fließmittel sowie neuartiger Bio-basierter Fließmittel in Calcium-freien Geopolymer-Modellsystemen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Andrea Osburg
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471259463

Die Bauwirtschaft befindet sich seit einigen Jahren in einem Wandel hin zu innovativen Technologien und Materialien. Besonders die Zementindustrie rückt dabei in den Fokus, da die jährl. Produktion von etwa 4 Gt Zement für den Ausstoß von 1,5 Gt CO2 verantwortlich ist. Daraus ergibt sich die Suche nach alternativen Bindemitteln, die möglichst unabhängig von anderen Industriezweigen sind. Ein solches Bindemittel stellen calcinierte Tone dar, die weltweit verfügbar sind, jedoch in ihrer chemischen und mineralogischen Zusammensetzung stark variieren. Darüber hinaus existieren bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt keine geeigneten Zusatzmittel, die für Ca-freie Geopolymersysteme geeignet sind. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, geeignete Fließmittel für Calcium-freie Geopolymere zu identifizieren und den Wirkungsmechanismus anhand von Geopolymer-Modellsystemen aufzuklären. Als Modellsysteme werden Metakaolin- und Metaton-ähnliche Basismaterialien über einen Sol-Gel-Prozess synthetisiert und mit Wasserglas-Lösungen versetzt. Dadurch wird sichergestellt, dass Calcium-freie Systeme verwendet werden. Es werden marktübliche Polykondensat-Fließmittel (Melaminsulfonsäure-und β-Naphthalinsulfonsäure-formaldehyd-Polykondensate) und PCE-Fließmittel unter Variation des Backbones (MPEG, APEG, HPEG und IPEG) zur Dispergierung der Geopolymer-Modellsysteme eingesetzt. Ziel ist es zunächst, die Fließwirkung zu bestimmen und anhand von Strukturuntersuchungen die Beständigkeit im hochalkalischen Milieu zu ermitteln. Darüber hinaus werden Stärke-Fließmittel synthetisiert, die im hoch alkalischen Milieu der Calcium-freien Geopolymere eine hohe Stabilität aufweisen. Es werden Stärke-Fließmittel unter Variation der molekularen Parameter Ladungsart, Ladungsmenge und Molekularmasse (< 100 kDa und >100 kDa) synthetisiert und Schlüsselparameter identifiziert, die eine hohe Dispergierleistung in den Calcium-freien Modell-Geopolymeren hervorrufen. Durch rheologische Experimente wird das Fließverhalten der Geopolymer-Modellsysteme unter Zugabe der wirksamen Fließmittel charakterisiert. Die Änderung der Viskosität und Fließgrenze sowie die Zeitabhängigkeit der rheologischen Eigenschaften werden im Vergleich zu einem Referenzgeopolymerleim erfasst. Durch Untersuchungen zur Änderung des Zetapotentials infolge der Zugabe wirksamer Fließmittel soll nachgewiesen werden, ob die Fließwirkung durch Oberflächeninteraktionen zu Stande kommt. Darüber hinaus werden Adsorptionsgrade während der frühen Geopolymerreaktion ermittelt. Die Ergebnisse werden dabei in Verbindung zu den Strukturparametern der wirksamen Fließmittel gebracht. Gefügeuntersuchungen sollen aufzeigen, ob die wirksamen Fließmittel die Gehalte an Luft-, Kapillar- und Gelporen in erhärteten Geopolymerleimen verändern. Es erfolgt eine Bewertung der Erkenntnisse zur Wirksamkeit von Fließmitteln in den Geopolymer-Modellsystemen und die Überführung der Ergebnisse in einen allgemeingültigen Wirkmechanismus (empirisches Modell).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen