Klimafreundlicher Zementersatz

Erste Geopolymere basierten auf Metakaolin, einer hitzebehandelten Form des Tons Kaolin: Bei Erwärmung auf etwa 600 Grad Celsius ändert Kaolin seine Struktur, wird reaktiver und härtet dadurch bei Kontakt mit der Aktivierungslösung schnell aus. Der Haken: Die vorgeschaltete thermische Behandlung verbraucht viel Energie.

Da Kaolin kein gebundenes Kohlendioxid enthält, das durch die Hitze ausgetrieben wird, und die Brenntemperatur niedriger ist als beim Zementbrennen, fällt die CO2-Bilanz dennoch besser aus. Metakaolin ist allerdings ein sehr feines Material und daraus hergestellte Geopolymere unterscheiden sich in der Verarbeitbarkeit von Zementleim. Sie sind zum Beispiel thixotrop: Beim Rühren oder Schütteln verflüssigen sie sich – wie Ketchup, der erst gar nicht und dann plötzlich in einem Schwall aus der Flasche kommt.

Die Aktivierungslösung bewirkt zudem eine gewisse Klebrigkeit der Geopolymere und erschwert das Ausschalen von Bauteilen. „Geopolymere werden Beton und Zement nur dann in großem Maßstab ersetzen, wenn sie die gleiche Konsistenz aufweisen“, betont Koenders. Seine Mitarbeiter Dr. Neven Ukrainczyk und Oliver Vogt testen verschiedene Rohstoffe, um das Handling zu verbessern. Verunreinigte Kaoline, die Eisenoxide und andere Fremdminerale enthalten, erwiesen sich als geeigneter und obendrein kostengünstiger.

Auch Flugasche, ein Abfallprodukt aus Rauchgasen, sowie das natürliche Gestein Trass bieten sich als Beimischung oder Alternative zu Metakaolin an. Den Trass beziehen die Forscher aus der Eifel, wo er sich einst nach Vulkanausbrüchen bildete. Das Gestein wird nach dem Abbau gemahlen und dann direkt verwendet. Von Vorteil ist ferner, dass es reich an Alkalimetallen ist. weiterlesen

Dadurch kann die Konzentration der alkalischen Aktivierungslösung reduziert werden – das reduziert Kosten. Im Fokus der Forschung stehen neben den Hauptkomponenten der Geopolymere auch gering dosierte Zusätze, die den neuen Baustoffen spezielle Eigenschaften verleihen sollen. Herkömmliche Fließmittel etwa, die Lufteinschlüsse verhindern und selbstverdichtende Betone möglich machen, funktionieren bei Geopolymeren aufgrund deren anderer Zusammensetzung nicht und müssen daher neu konzipiert werden.

Vogt und Ukrainczyk bilden hierfür ein perfektes Team, denn Vogt hat als studierter Bauingenieur stets die praktische Anwendung im Blick, während der Chemieingenieur Ukrainczyk ein Experte für die molekularen Grundlagen und die chemisch-physikalische Analytik ist. Zu seinem Antritt an der TU Darmstadt 2014 hat Koenders die Möglichkeit zur Einrichtung eines Mikrolabors vereinbart, in dem Geopolymere und andere Baustoffe auf der Mikro- bis Nanoskala untersucht werden.

Wie viel Wasser bindet ein neues Material? Welche molekulare Struktur besitzt es? Wie verhält es sich bei verschiedenen Temperaturen, wie bei minus 60 und wie bei über 1000 Grad Celsius? Für die Beantwortung solcher Fragen stehen im Mikrolabor Kalorimeter, Röntgendiffraktometer, Viskosimeter, und weitere Spezialgeräte zur Verfügung.

Die nächste Anschaffung ist ein atmosphärisches Rasterelektronenmikroskop, in dem Baustoffe bei verschiedenen Luftfeuchten und Temperaturen sowie unter mechanischer Belastung untersucht werden können. Herkömmliche Rasterelektronenmikroskope, von denen es an der TU Darmstadt einige gibt, funktionieren nur im Hochvakuum und spiegeln die Umweltbedingungen, unter denen Baustoffe eingesetzt werden, nicht wider.

Noch gilt Zement als der weltweit am meisten verwendete Werkstoff, doch die Geopolymere haben das Potenzial, ihm diesen Rang im Bereich von Spezialanwendungen streitig zu machen. Sie punkten nicht nur mit einer besseren CO2-Bilanz, sondern auch mit technischen Vorteilen: So sind Geopolymere hitzestabiler als Beton – dessen gebundenes Wasser baut im Brandfall einen Dampfdruck auf, der zu Rissen oder Abplatzungen führt.

Außerdem sind sie chemikalienresistenter, da sie keinen Kalk enthalten, der sich durch Einwirkung von Säuren oder anderen aggressiven Substanzen auflöst. Ebenfalls beachtlich: Bereits nach einem Tag können Geopolymere ähnliche Druckfestigkeiten wie hochfester Beton entwickeln. Sie lassen sich schnell ausschalen und eignen sich somit für die Massenproduktion von Fertigteilen.

Das TU-Team beschäftigt sich aktuell mit der Herstellung von chemikalienbeständigen Abwasserrohren aus Geopolymeren. Noch seien die neuen Baustoffe zwar teurer als herkömmlicher Zement oder Beton, sagt Koenders, doch ihre Dauerhaftigkeit rechtfertige den höheren Preis: „Wir suchen nach Lösungen, die auch ökonomisch interessant sind. Wir wollen die Geopolymere schnell in die Anwendung bringen.“