Geopolymer – Auf der Spur von alten Technologien

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Fragestellungen

Hauptteil
Teil 1 – Rezepte zur Herstellung von Geopolymer
Teil 2 – Gemeinsamkeiten der Rezepte
Teil 3 – Worauf weisen die Unterschiedliche Zusätze hin
Teil 4 – Vorteile oder positive Eigenschaften vom Geopolymer
Teil 5 – Einsatzgebiete von Geopolymer

Fazit

Literaturverzeichnis

Einleitung

Während unserer Forschungsreise in das römische Museum in Mayen sprachen wir über Opus Caementicius und unsere Professoren sowie unser Führer im Museum erwähnten die einzigartigen Eigenschaften von diesem Material. Dabei wurde auch erwähnt, dass es neue Patente im Bereich des modernen Zements gibt.

Dieses Gespräch verleitet mich dazu die modernen Erforschungen auf diesem Gebiet genauer zu betrachten, um sich ein ganzheitliches Bild darüber zu machen.

Eins der fortschrittlichsten Erfindungen im Bereich des modernen Bindestoff machte der französische Chemiker, Buchautor und Materialien-Forscher Joseph Davidovits. Von 1962 bis 1972 forschte und entwickelte er organische Polymere. Er griff dabei die Arbeit von Victor Dmitrievich Glukhovsky vom Kiev Institute of Civil Engineering aus den 1950ern wieder auf. 1979 publizierte er sein Konzept von Geopolymeren und gründete in Saint-Quentin das Institut Geopolymere.

In einem Interview mit Red Ice TV bezeichnete Joseph Davidovits diesen Prozess als Alchemie, bei dem es möglich wird unterschiedliche Minerale zusammen zu mischen, die mit Hilfe einer chemischen Lösung eine Verbindung eingehen. Nach dem er viele Tonnen von unterschiedlichen Materialien in seinem Labor imitieren konnte kann ich sich sicherlich ein Experte auf diesem Gebiet sehen. 40 Jahre später gibt es laut seinen Angaben weltweit über 400 Geopolymer Forschungslabore.

Fragestellungen

Die Recherche über Geopolymer zeigte auf, dass die einzelnen Komponenten sich etwas unterscheiden können. Daraus haben sich folgende Fragen ergeben:

  1. Welche Rezepte zur Herstellung sind online zu finden?

  2. Welche Gemeinsamkeiten zeigen diese Rezepte auf?

  3. Worauf weisen die Unterschiedliche Zusätze hin?

  4. Welche Vorteile oder positive Eigenschaften lassen sich eindeutig erkennen?

  5. Welche Einsatzgebiete kann man heutzutage schon feststellen?.

Hauptteil

Teil 1 – Rezepte zur Herstellung von Geopolymer

Grundsätzliche Beschreibung der Zusammensetzung von Geopolymer:
Geopolymere sind Zwei-Komponenten-Systeme, bestehend aus einem reaktiven Feststoff, der Silizium- und Aluminiumoxide enthält, sowie einer basischen Aktivierungslösung aus Alkalihydroxiden oder -silikaten in Wasser. Der Feststoff ist ein natürliches Gestein oder Mineral, daher die Vorsilbe „Geo“. Beim Mischen der Aktivierungslösung mit dem gemahlenen Feststoff, dem je nach Anwendung Gesteinskörnungen und andere Substanzen beigefügt werden, bildet sich ein steinhartes anorganisches Polymer.
Die molekularen Bausteine, die Monomere, sind Tetraeder mit Sauerstoffatomen an den vier Ecken und einem Silizium- oder Aluminiumatom im Innern.

Bestandteile unterschiedlicher Geopolymere

Kalkstein-Geopolymer (Auflistung von Prof. J. Davidovits)

  • Kalkstein-Geopolymer besteht aus 97% natürlichen Elementen
  • ca. 1,5% natürliches Natriumkarbonat (in Natur enthält dieser Stein nur nahezu 0,4% davon)
  • und 1,5 % künstliches Kalkstein Calcium

härteres Geopolymer Gestein (Beschreibung von J. Davidovits)

  • ein anderes Geopolymer Gestein, das auf Kalkstein basiert, jedoch um vielfaches stärker ist, beinhaltet Silikate*


Silikate* sind die Salze und Ester der Ortho-Kieselsäure (Si(OH)4) auch bilden
Silicate den Hauptanteil der Erdkruste. Formal kann man sie aus Quarz ableiten, indem man Siliciumatome durch andere Metalle ersetzt. Sie sind als bedeutende Baustoffe im Beton oder Ziegelstein, haben aber auch große Bedeutung als Katalysatoren, oder Waschmittelzusatz (Zeolithe), wo sie als Ionenaustauscher fungieren.

Geopolymer Gestein – Rezept eines indischen Unternehmens

  • Flugstaub/Flugasche
  • Der Hütten- oder Schlackensand* (granulated blast-furnace slag (GBFS))
  • Zusätze, die den Gestein bestimmen sollen
  • Aktivator – besteht aus der Kombination aus Natriumhydroxid und Natriumsilicate

Der Hütten- oder Schlackensand* entsteht durch Granulation von flüssiger Hochofenschlacke mit Wasser und/oder Luft. Er ist ein feinkörniges, glasiges Nebenprodukt der Roheisenherstellung im Hochofen.

Natriumsilicate* – Daneben wird auch noch das Natriumsalz Na4SiO4 der Orthokieselsäure Si(OH)4 als Natriumorthosilikat bezeichnet.

Flugasche* – Die Zusammensetzung der Flugasche hängt stark vom Brennmaterial (zum Beispiel Braunkohle oder Steinkohle) ab und erstreckt sich von Restkohlenstoff und Mineralien (Quarz,Aluminiumsilikat) bis hin zu toxischen Stoffen wie Schwermetallen (Arsen bis Zink) und Dioxinen. Dabei wirkt die Flugasche auch als Träger adsorbierter Schadstoffe. Während reine, einheitliche, gleichbleibende Brennstoffe wie Steinkohle eine gut verwertbare Flugasche ergeben, setzt sich die Braunkohlenflugasche (BFA) aus vielen verschiedenen Stoffen zusammen.

Flugasche beinhaltet eine wesentliche Menge von Siliciumdioxiden (SiO2) (sowohl formlose als auch kristallförmige) Aluminiumoxide (Al2O3) und Calciumoxide (CaO), die Hauptmineralverbindung in einer kohlehaltigen Gesteinsschicht.

Geopolymer Gestein – Rezept eines amerikanischen Unternehmens aus Alaska
Cole Sonafrank, der Assistent des Leiters der Forschung an der CCHRC, klärt die Hauptingridienten des Geopolymers und spricht über die Wichtigkeit des Einsatzes von lokal verfügbaren Materialien.

  • Flug-Ashe
  • Natriumhydroxid
  • Minenabfälle
  • Lehm
  • Silt*

Silt* – (Unter Schluff (geologisch auch Silt) versteht man Feinböden unterschiedlicher Abkunft sowie unverfestigte klastische Sedimente, deren mineralische Bestandteile überwiegend (>50 %) eine Korngröße von 0,002 bis 0,063 Millimeter aufweisen)

Geopolymer Gestein – Rezept und Ablauf – Universitätsprojekts von Michael Hu, Jason Stein, Luke Warpinski

  • Metakaolin*, Natriumsilicate
  • Mischen von Substanzen
  • Vibration (zum entfernen von Luftblasen
  • in eine Form gießen

Metakaolin* ist die wasserfreie kalzinierte Form des Tonminerals Kaolinit. Kaolinitreiche Mineralien werden als Porzellanerde oder Kaolin bezeichnet, die traditionell zur Herstellung von Porzellan verwendet werden. Die Partikelgröße von Metakaolin ist kleiner als Zementpartikel, jedoch nicht so fein wie Silikastaub.


Römisches Zement – Auflistung der Bestandteile und der Schritte

  1. Vulkanische Asche
  2. Kalkstein oder Muscheln
  3. Gesteinszusatz – zum Beispiel: Basalt, Bims, Trass, Granit oder andere (können unterschiedliche Körnungsgrößen aufweisen
  4. Erhitzen von über 3 Stunden über 600 Cº von Kalkstein und somit wird aus Stein Carbondioxid heraus gelöst und wir bekommen Calciumoxid CaO
  5. Sobald Calciumoxid CaO eine Verbindung mit Wasser eingeht, bekommen wir Calciumhydroxid Ca(OH)2.
  6. Anschließend kann es getrocknet werden bis man die eigentliche Zementmischung macht
  7. Man fügt genügend Wasser dem Calciumhydroxid hinzu, damit eine pasteartige Mischung bekommt.(nicht zu viel)
  8. Im Verhältnis 1 zu 2 fügt man der Kalksteinpaste die vulkanische Asche zu.
  9. Danach der Gesteinszusatz und das Gießen in die Form
  10. Wenn man das getrocknete Gestein in Meereswasser tut, so gibt es weitere chemische Reaktionen, was den Stein zusätzlich festigen soll.

Teil 2 – Gemeinsamkeiten der Rezepte

Nach der Beobachtung von unterschiedlichen Gemischen von Geopolymer ergibt sich die Schlussfolgerung, das der Aktivierungs-Bestandteil Natriumsilicat nahezu immer in der Mischung vorkommt und die Funktion hat, die Elemente zu verbinden und zu festigen, was zu sehr guten Ergebnissen führt, wobei die Zusatzstoffe variieren können. Wobei einige Unternehmen bei den Aktivierungslösungen nur den Natriumhydroxid nennen. Einige nennen jedoch die beiden Aktivierunglösungen – also sowohl den Natriumhydroxid als auch Natriumsilicat.

Geopolymer Lehm-Steine

Die Hauptbestandteile unterscheiden sich auch. So ist das bei einem Versuch das Metakaolin, wobei einem anderen Experiment man die Flugasche das Hauptbindematerial darstellt.

Das römische Zement – Opus Caementicius fällt hierbei meiner Meinung nach etwas aus der Reihe, da es laut der Auflistung der chemischen Bestandteilen, kein Natriumhydroxid oder Natriumsilicat aufweist.

Teil 3 – Worauf weisen die Unterschiedliche Zusätze hin

Da wir bei unterschiedlichen Rezepten sehen, dass die einzelnen Zusätze ein Teil davon sein können oder auch nicht, sagt es aus, dass es unterschiedliche Rezepte gibt, um unterschiedliche Steine, Härtegrade, Steine für unterschiedliche Anwendungen herzustellen. Hierzu sollte man genau die Chemie der einzelnen Stoffe und die Reaktionsfähigkeit mit dem Natriumsilicat genau betrachten, um genauer einschätzen zu können was die einzelnen Komponenten der chemischen Struktur bringen würden. Es ist sicherlich ein Teil

Wenn wir das Resultat der einzelnen Experimente betrachten, so können wir anhand dessen sagen, das zwei Aktivierungs-Bestandteile mit Flugasche und Hüttensand Mischung als Resultat eins der härtesten Geopolymere ergeben. Dies bestätigen auch einige Forschungsergebnisse.

Teil 4 – Vorteile und Nachteile vom Geopolymer

  • Dauerhaftigkeit

  • Frostresistenz

  • Haltbarkeit in der Umgebung mit aggressiven Substanzen

  • ökologischer Baustoff

  • Hohe Erstarrungsgeschwindigkeit (innerhalb von wenigen Stunden)
  • hohe Druckfestigkeit
  • ausgezeichnete Adhäsion/Verklebung
  • durch geeignetes gewähltes Verhältnis der Schamotte ist die Benutzung bis zu ºC möglich
  • ausgezeichnete mechanische Eigenschaften
  • keine giftigen Substanzen (Herkunft bzw. Konsistenz der Asche beachten)

  • niedriger Preis der Herstellung (Asche kostet nicht viel)

Trotz der vielen genannten Vorteilen von Geopolymer nennen einige Spezialisten auch negative Seiten, des Geopolymers. Der Bauverlag aus Gütersloh in Deutschland spricht über Mischungen von Geopolymer, die mit 80 % Hüttensand und 20 % Steinkohlenflugasche als Feststoff haben und als Aktivierungs-Bestandteil Na-Wasserglas und Na-Hydroxid verwenden. Sie bemerken zwar das in Fragen der Druckfestigkeit und Frost-Tausalz-Beständigkeit das Geopolymer-Gemisch nennenswert überlegen ist, jedoch sowohl die ökonomischen Analysen als auch die ökologischen Analysen haben gezeigt, dass die Aktivatoren Wasserglas und Na-Hydroxid wesentlich zu den Herstellungskosten bzw. Umweltbelastungen beitragen.

Teil 5 – Einsatzgebiete von Geopolymer

  • Fließen (Laut J. Davidovits ist der Energieaufwand gegenüber Keramik um vielfaches weniger)
  • Abflussröhre
  • ausgezeichnet isolierendes Material
  • geopolymerischer Zement (ohne Kalk)
  • Reparaturen von beschädigtem Beton
  • Brandschutz-Systeme
  • Bauchemie (Kitte, Kamin-Systeme)
  • Fixation der Schwermetalle und radioaktiver Abfälle
  • Restaurierung
  • Imitation natürlicher Materialen (Granitplatten, Fensterbänke, Baderäume, Küchenplatten…)
  • Strassenbau und Restaurierung

Laut einigen polnischen Wissenschaftlern aus Krakow wird der neue Geopolymer auf der Basis von Lavagestein noch effizienter Gebäude schützen können. Außerdem sollte die monolithische Bauweise mit Geopolymer mehr Dauerhaftigkeit und Stabilität gewährleisten.

Fazit

Energieverbrauch von Geopolymer im Vergleich zu Tonfliesen

Momentan findet eine spannende Entwicklung auf dem Gebiet Geopolymere. Während einige Länder anscheinend erst damit beginnen diese Technologien zu implementieren arbeiten anscheinend Länder wie China schon seit Jahrzehnten damit.

Es steht außer Frage, das Geopolymer wegen seinen hervorragenden Eigenschaften einen Platz in der Industrie und neuen Anwendungen hat, jedoch ist der ökologische und der ökonomische Aspekt nicht ganz klar, da es momentan nur wenige Unternehmen in Europa gibt, die den Geopolymer anbieten.

Geopolymer im Stassenbau

Unter den technischen, ökonomischen und ökologischen Aspekten hat sich die Rezeptur MI-6IS/20°C etabliert, die bei der Geopolymer-Mischung nur 50 % des Na-Wasserglas- und 50 % des Na-Hydroxid-Gehaltes verwendet und gleichzeitig hervorragende Ergebnisse liefert.

Geopolymere stellen eine technologisch interessante Materialgruppe dar, welche bereits heute in unterschiedlichen Nischenanwendungen zum Einsatz kommen. Die gezeigten Untersuchungsergebnisse demonstrieren die technische Leistungsfähigkeit dieser Materialgruppe auch in potentiellen Massenanwendungen wie beispielsweise Beton. Dabei können im Vergleich zu Zement gebundenen Betonsystemen sowohl technische und ökonomische Rahmenbedingungen erfüllt (wenn nicht sogar übertroffen), als auch die Umweltbelastung reduziert werden. Die Umweltentlastungspotentiale ergeben sich primär durch den Einsatz von sekundären Rohstoffen wie Hüttensand oder Flugaschen aber auch ggf. durch eine längere Lebensdauer in den verschiedenen Anwendungsgebieten. Aufgrund der eingeschränkten Verfügbarkeit von sekundären Rohstoffen scheint allerdings eine breite Umsetzung in den entwickelten Industrienationen fraglich. Hier bestehen beispielsweise für Hochofenschlacken und Steinkohlenflugasche bereits Verwertungspfade, insbesondere im Bausektor. In den wirtschaftlich stark wachsenden Ländern wie beispielsweise China oder Indien hingegen werden für massenhaft anfallende Schlacken und Aschen Verwertungsoptionen gesucht. Hier bieten sich Geopolymer basierte Bindesysteme als Recyclingoption an.

von Ivan Olelenko

Literatur- und Videoverzeichnis

Geopolymer Wikipedia
https://de.wikipedia.org/wiki/Geopolymer

Red Ice Radio – Davidovits
https://www.youtube.com/watch?v=nifbaRv7RVw

by ColdClimateHousing Cole Sonafrank explains basic ingredients for geopolymer cements
https://www.youtube.com/watch?v=ci07_52EnBg

Geopolymer Technology by CSIR-National Metallurgical Laboratory, Jamshedpur-831007
https://www.youtube.com/watch?v=VeafJwUz15k

Polnische Wissenschafter /Польские исследователи установили, что у вулканической лавы
https://www.youtube.com/watch?v=G7ODy1zDDRQ

Natriumsilicate – Wikipedia
https://de.wikipedia.org/wiki/Natriumsilicate

How to make roman concrete
https://www.youtube.com/watch?v=tOhAfaFboNU

České lupkové závody aus Pecínov 1171
http://www.cluz.cz/de/metakaolin-und-geopolymere

Joseph Davidovits – Wikipedia
https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph_Davidovits

BFT Magazin über Geopolymer

https://www.bft-international.com/de/artikel/bft_2011-12_oekologische_und_oekonomische_Analysen_von_Geopolymer-_beton-_Mischungen_fuer_1305834.html

Geopolymer Zement Experimente eines indischen Unternehmens
https://www.youtube.com/watch?v=3GDl35PlLOY

Bücher & Produkte zum Thema Geopolymer & mehr:

Lightaspect Channel https://www.youtube.com/user/lightaspect

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