Geopolymer – Zement von gestern und heute

Einleitung

Uns allen ist der Zement – ein anorganischer und nichtmetallischer Baustoff bekannt. Er ist feingemahlen und zählt daher zu den Schüttgütern. Aufgrund seiner Eigenschaften wird er in Zementwerken als Baustoff hergestellt und zum Anfertigen von Bauteilen und Bauwerken verwendet. Innerhalb der Baustoffe zählt Zement zu den Bindemitteln. Er erhärtet durch die chemische Reaktion mit Wasser (siehe Hydratation) und bleibt danach fest.

Pantheon in Rom von Innen

Allgemeine Informationsquellen zum Opus Caementicium berichten uns, dass (im Deutschen außer in archäologischen Fachpublikationen meist Opus caementitium geschrieben, auch Gussmauerwerk oder Römischer Beton genannt) die lateinische Bezeichnung für eine betonähnliche Substanz bzw. ein bestimmtes Herstellungsverfahren, mithilfe derer die Römer spätestens seit dem 3. Jahrhundert v. Chr. Teile von Mauern, später ganze Bauwerke errichteten.

Viele Forscher stellten mit Erstaunen fest, dass schon während der Römerzeit Zement, das als Opus caementicium bezeichnet wurde, sehr viel im Bau im Einsatz war. Unter anderem sollte das Dach von Pantheon und eventuell auch andere Teile des Gebäudes aus diesem Gemisch erstellt worden sein. Noch erstaunlicher ist die Tatsache, dass diese zementartige Gemische nahezu 2000 Jahre später immer noch in bester Verfassung sind und einige gegossene Teile aus dieser Zeit, die man unter Wasser fand anstatt zu zerfallen noch stärker ausgehärtet sind.

Fragestellungen

Anhand der Tatsachen, die wir vorfinden können sich natürlicherweise Unmengen von Fragen ergeben. Da viele Fragestellungen keine oder unbefriedigende Antworten ergeben würden, weil die offizielle Geschichtsschreibung uns darauf einfach keine Antworten geben kann, fokussiere ich meine Aufmerksamkeit auf die folgende Fragestellungen:

  • Haben wir in der heutigen Zeit es geschafft annähernd gleichwertige oder bessere Materialien herzustellen?

  • Um welche Materialien bzw. Gemische handelt es dabei?

  • Welche Anwendung finden diese Materialien in der heutigen Zeit?

Hauptteil: Teil 1 – Entdeckung und Analyse

Der französische Chemiker, Buchautor und Materialien-Forscher Joseph Davidovits erfindet in den siebziger Jahren ein Material, welchen er als Geopolymer bezeichnet. Dieser entsteht aus Materialien, die aus der Natur stammen und Alumnate und Silikate enthalten. Daraufhin stellte er schon in den siebziger Jahren die Theorie auf, dass die ägyptischen Pyramiden und viele andere Bauten und Objekte mit Verwendung von Geopolymer erstellt wurden. Zu dieser Zeit gab es jedoch noch nicht die notwendigen Messgeräte, die seine Annahmen wissenschaftlich bestätigen würden. Im Jahre 1982 verwendete er die Gegenstände von Jean-Philippe Lauer, die er aus seinem Ägyptenaufenthalt mitgebracht hatte, was seine Annahme bestätigte. Zudem belegte er es in 1982-84 nochmals eigenständig durch X-ray Analysen.

Ihm ist dabei gelungen 13 Komponenten von unterschiedlichen Mineralien fest zu stellen. Auch befanden sich darin einige Metalle, aber auch Haare von Ziegen und Schafen. Das brachte ihn zu einer eindeutigen Einsicht, dass die Steine gegossen wurden und dass alle Bestandteile, wie Minerale und Metalle dieser Steine in der Umgebung zu finden sind. Seine Theorie beantwortete viele Fragen zur Herstellung der Pyramide und zur Bearbeitung der Steine in der antiken Welt.

Joseph Davidovits fragte ungefähr zur gleichen Zeit bei UNESCO nach Daten, die sie bei der Auswertung von Statuen in 1972 erhielten. Anhand seiner neuen Erkenntnisse konnte er nun mit diesen Daten gewiss erkennen, dass alle alten Statuen durch einen Verdichtungsprozess gegangen sind, während die neuen Statuen geschnitzt wurden.

Joseph Davidovits erkannte bei seinen Experimenten im Labor, dass man jedes Gestein durch die richtigen Beimischungen emittieren könnte. Er erkannte dabei auch, dass man ohne das Wissen von dieser Technologie als Archäologe oder Gesteinsexperte nicht im Stande wäre, einen Stein aus der Natur von einem synthetisch erstellten Stein zu unterscheiden. Somit hat er in seinem Labor es schon damals geschafft Kalkstein, Granit, Sandstein und Arkose herzustellen.

Teil 2.1 – Zement, Opus Caementicius und Geopolymer

Wenn wir uns die Frage stellen was Opus Caementicius mit Zement und Geopolymer zu tun hat und ob die einzelnen Stoffe miteinander verwandt sind oder ob das Eine aus dem anderen stammt?

Um diese Frage zu beantworten betrachten wir einmal die Zusammensetzung der einzelnen Stoffe. Vorab sollte man jedoch erwähnen, dass wir nicht ganz genau wissen wie Opus Caementicius erzeugt worden ist, sondern haben nur Annahmen, denn viele Versuche dieser herzustellen gingen seit vielen Jahren schief und erst seit kurzem behaupten Einige das Rezept zu kennen und wiederholen zu können.


Zusammensetzung von Opus Caementicius:

Im opus caementicium liegen gebrannter Kalk (zumeist „weißer Kalk“ ohne tonartige Bestandteile) und Zuschläge (Quarz, Grauwacke, Sandstein, Tuff oder Ziegelbruchstücke) in einem Verhältnis von 1:3 vor. Gebrannt wurden die Kalksteine zur damaligen Zeit in Kalköfen bzw. ausgehobenen Schachtöfen mit einem Durchmesser von etwa drei Metern und einer Tiefe von ca. vier Metern. Die Brenntemperaturen schwankten je nach Steinart zwischen 900 und 1350°C. Um ein Bindemittel mit hydraulischen Eigenschaften zu erhalten, wurden dem Kalk natürliche und künstliche Puzzolane, wie Tuffe oder Ziegelmehle, beigemengt. Aus der Reaktion des in den Puzzolanen enthaltenen SiO2 und dem Ca(OH)2 aus dem Brenn- und Löschvorgang des Kalks bildet sich wasserunlösliches Calciumsilicathydrat.

D.h. erst durch die Beimengung der Puzzolane oder gemahlenen Ziegel erhält das opus caementicium jene hydraulischen Eigenschaften, durch die dieses Gemisch nach der Zugabe von Wasser zu druckfestem Stein aushärtete – ähnlich wie unser heutiger Beton bzw. Zement. Opus caementicium härtet daher auch unter Wasser aus. Durch die Zugabe von Wasser reagiert der gebrannte Kalk unter starker Hitzeentwicklung, und das so entstandene opus caementicium wird heiß oder warm geformt und verarbeitet, wobei die Kalkbestandteile stark ätzend waren und bei Kontakt mit den Augen zur Erblindung führen konnten.

Zusammensetzung von Zement:

Portlandzement, hergestellt durch die Vermahlung von Klinker und Kalk bzw. Anhydrit, besteht chemisch gesehen aus ca. 58 bis 66% Calciumoxid (CaO), 18 bis 26% Siliciumdioxid (SiO2), 4 bis 10%Aluminiumoxid (Al2O3) und 2 bis 5% Eisenoxid (Fe2O3). Bei dem Brennprozess im Drehrohrofen bilden sich nach dem Calcinieren des Kalks (CaCO3) zu Calciumoxid, bei dem CO2 freigesetzt wird, durch teilweises Sintern aus diesen Hauptbestandteilen Mineralien, die für die besonderen Eigenschaften von Zement von entscheidender Bedeutung sind. Die wichtigsten dieser Verbindungen sind:

  • Tricalciumsilikat (Alit), bauchemisch kurz C3S (allgemeine chemische Formel 3CaO · SiO2)
  • Dicalciumsilikat (Belit), kurz C2S (2 CaO · SiO2)
  • Tricalciumaluminat, kurz C3A (3CaO · Al2O3)
  • Tetracalciumaluminatferrit, kurz C4AF bzw. C4(A,F) (4CaO·Al2O3 · Fe2O3) und C2(A,F).

Beim Aushärten von Zement mit Wasser (Hydratation) wachsen einerseits Calciumsilicathydrat-Fasern, kurz CSH oder C3S2H3 (3CaO · 2 SiO2 · 3H2O), und andererseits bildet sich Portlandit, kurz CH (Ca(OH)2).

Außer der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung ist auch die Feinheit eines Zements ausschlaggebend für seine Eigenschaften. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass ein Zement, der feiner ist, auch eine höhere Festigkeit entwickelt.

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.

Den Begriff „Geopolymer“ prägte der französische Chemiker Joseph Davidovits schon in den 1970er-Jahren.

Teil 3 – Hypothese anhand des Vergleichs der drei Gemische

Im Laufe der letzen 100 Jahren wurde das Zement und die Verfahrenstechniken um vielfaches optimiert. Es gibt inzwischen Zemente, die Frost sehr gut aushalten, Zemente die mit Feuchtigkeit sehr gut umgehen und Zemente die enormen Druckbelastungen stand halten. Nichtsdestotrotz konnten wir Katastrophen beobachten, wo der Zement nur nach 30 bis 50 Jahre versagte und ganze Dämme einstürzten und viele Tote mit sich brachten. Gleichzeitig finden sich solche Bauten wie Tibi-Talsperre – ein Damm nahe Alicante in Spanien, welcher laut den Angaben in 1580 errichtet wurde und bis heute unbeschädigt funktioniert.

Daraus lässt sich schließen, das unsere Verfahren im Vergleich zu den alten Zementverfahren sehr unausgereift sind oder bis vor kurzem noch waren.

Das TU Team der Universität Darmstadt ist der Meinung, dass der Zement noch als der weltweit am meisten verwendete Werkstoff gilt, 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.

Laut der Aussage von Professor Joseph Davidovits beim jährlichen Geopolymer Treffen in 2018 sollte der Geopolymer nicht alkalisch sein, was seine Dauerhaftigkeit gewährleisten würde. Seine Experimente und mikroskopische Aufnahmen bei dieser Studie prüfen seine Annahmen.

Der Bauingenieur Wladimir Baschaew von Ural Zement hat mit seinem Team ein Experiment durchgeführt, bei dem aus Geopolymer vor ca. 30 Jahren eine Strasse gebaut wurde. Nach 30 Jahren hat man mit Hilfe einer Diamantensäge eine Probe daraus entnommen. Die Ergebnisse haben alle Teilnehmer überrascht, denn die Festigkeit des Geopolymers hat sich in den 30 Jahren verdoppelt. Das Labor von Ural Zement ist der Ansicht das Geopolymer eine große Zukunft hat und bezeichnen diesen als ökologischen Zement, da die Herstellung viel weniger Energie verbraucht. Außerdem ist es das Material auch noch kostengünstiger.

Alles in allem haben sich bei ihren Forschungen folgende Vorteile des Geopolymers herauskristallisiert: Dauerhaftigkeit, Frostresistenz, Haltbarkeit in der Umgebung mit aggressiven Substanzen, ökologisch, keine giftigen Substanzen, niedriger Preis,

TU Darmstadt – Vorteile des Geopolymers:

Weitere Vorteile sind im Gegensatz zu Zementmörteln lassen sie sich aber aufgrund ihrer dichten Packung und ausgezeichneten Haftung auf mineralischen und metallischen Untergründen auch als dünnschichtige Beschichtung und Kratzspachtelung einsetzen. Aufgrund der guten Wasserdampfdiffussionsfähigkeit besteht hierbei keine Gefahr der Kondensation von Feuchtigkeit hinter der Beschichtung, wie es häufig bei polymeren Beschichtungssystemen auf feuchten mineralischen Untergründen zu beobachten ist.

Fazit

Wenn ich die Substanzen und die Herstellungsweisen vergleiche, so ähnelt Geopolymer meiner Meinung nach viel mehr dem Opus Caementicius, als dem heutigen Zement. Wobei ich der Meinung bin, dass Caementicius nur Eine der vielen Formen des Geopoymers ist, die zu dieser Zeit, aber auch schon zu früheren Zeiten im Einsatz waren. Wie der Prof. Joseph Davidovits betonte, kann nicht mal ein Experte genau erkennen, ob ein Material direkt aus der Natur kommt oder durch einen Verdichtungsprozess gegangen ist.

Fakt bleibt, dass inzwischen alle großen Länder erkannt haben, dass Geopolymer die Technologie der Zukunft ist. Bei der jährlichen Versammlung in 2018 sprach Prof. Joseph Davidovits über 15 neue zukunftsweisende Entwicklungen von Geopolymer-Materialien.

Bücher & Produkte zum Thema Geopolymer & mehr:

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

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