Thermal and Alkaline Activation of Model Clays for the Production of Geopolymer Binders

Geopolymere sind eine geeignete Alternative zu Zement. Die Zement- und Bauindustrie ist verantwortlich für 5 – 8% der jährlichen, weltweiten CO2-Emissionen. Um diesen negativen Einfluss auf die Klimaerwärmung zu verringern, ist es nötig die Emissionen zu reduzieren. Durch die Verwendung von Geopolymeren als Bindemittel in der Bauindustrie, könnten 40 – 80% der CO2-Emissionen verhindert werden. Geopolymere sind anorganische Bindemittel mit einem 3-dimensionalen Netzwerk aus Si[OH]4 und Al[OH]4- Oligomeren. Sie entstehen durch die Reaktion von Aluminosilicaten mit einer hochalkalischen Aktivatorlösung. Als Ausgangsstoff sind beispielsweise kalzinierte Tonminerale, Flugaschen, oder Hochofenschlacken geeignet, da sie große Mengen Silicium (Si) und Aluminium (Al) enthalten. Als Aktivatorlösung können NaOH oder KOH genutzt werden. Wasserglas (Na2xSiyO2y+x) Lösungen sind ebenfalls geeignet. Da die Verfügbarkeit von Flugasche und Hochofenschlacke in den kommenden Jahren sinken wird, beispielsweise aufgrund der Reduktion von Kohlestrom, erscheinen kalzinierte Tonminerale als der am besten geeignete Ausgangsstoff. Tonvorkommen sind weltweit in ausreichend großen Mengen vorhanden. Durch die Nutzung sogenannter gemeiner Tone, die eine Mischung verschiedener Tonminerale enthalten, können Geopolymere wirtschaftlich hergestellt werden. Die Herstellung von Geopolymeren mit reinen kalzinierten Tonmineralen (z.B. Metakaolinit) führt zu deutlich höheren Kosten im Vergleich zu Zement. Da die unterschiedlichen Tonminerale sich deutlich in ihren Eigenschaften unterscheiden (z.B. Dehydroxylierungstemperatur, Si:Al Gehalt, etc.) ist es notwendig, zunächst die Herstellung von Geopolymeren mit unterschiedlichen kalzinierten Modelltonmineralen zu untersuchen. Anhand der Erkenntnisse bezüglich optimaler Aktivierung, Reaktionsmechanismus und Einfluss der verschiedenen Tonminerale können Aussagen über die Eignung von Mischungen der kalzinierten Tonminerale getroffen werden. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von drei unterschiedlichen Tonmineralen (Kaolinit, Montmorillonit und Illit). Diese wurden auf ihre thermische Aktivierung, auch Kalzinierung genannt, untersucht. Die optimale Aktivierungstemperatur, die abhängig vom Dehydroxylierungsverhalten des Tonminerals ist, muss ermittelt werden. Bei der optimalen thermischen Aktivierung wird die Reaktivität des Tonminerals auf das Maximum gesteigert. In Kombination mit der Analyse des thermischen Verhaltens wurde die Löslichkeit der kalzinierten Tonminerale untersucht. Dabei wurden verschiedene Kalzinierungstemperaturen und Aktivatorlösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen verwendet. Eine optimale Kalzinierung wurde bei Temperaturen von 700 – 750 °C erreicht. Die höchsten Löslichkeiten wurden in der höchsten Konzentration der Aktivatorlösung (10.79 mol/L NaOH) erreicht. Jedoch konnte festgestellt werden, dass die Löslichkeit bei keinem der kalzinierten Tonminerale vollständig war und für alle Proben unter 90% lag. Daraus konnte abgeleitet werden, dass in ausgehärteten Geopolymeren unreagiertes Material zurückbleibt. Zu große Mengen von unreagiertem Material können negative Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften eines Geopolymers haben. Neben den Experimenten zur optimalen Kalzinierung und Löslichkeit wurde das Rehydroxylierungsverhalten quellfähiger Tonminerale untersucht. Aus der Altersbestimmung antiker Keramiken ist bekannt, dass Metakaolinit nach der Dehydroxylierung Teile des strukturellen Wassers wieder einbauen kann. Bei quellfähigen Tonmineralen, wie z.B. Montmorillonit, läuft dieser Prozess ebenfalls ab. Es konnte gezeigt werden, dass eine Rehydroxylierung unter Normalbedingungen und leicht erhöhten Temperaturen (22, 40 & 60 °C, 75% relative Luftfeuchtigkeit) bereits nach wenigen Stunden einsetzt. Bei längerer Lagerung nach der Kalzinierung kann der Wiedereinbau strukturellen Wassers die Reaktivität der kalzinierten Tonminerale senken. Dieser Aspekt muss in Zukunft detaillierter untersucht werden, da Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Geopolymere, die mit diesen kalzinierten Tonmineralen hergestellt werden, zu erwaten sind. Für weitere Versuche wurden verschiedene Mischungsverhältnisse zur Geopolymerherstellung berechnet. Das Na:Al Verhältnis wurde auf 1:1 festgelegt, die NaOH Konzentration und die Si:Al Verhältnisse wurden variiert. Einige Mischungsverhältnisse erwiesen sich als nicht verarbeitbar. Dies lag meist am hohen Feststoff/Aktivatorlösungs Verhältnis. Mit den geeigneten Mischungsverhältnissen wurden kleine Scheiben hergestellt, die zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften genutzt wurden. Mittels Nanoindentation wurden E-Modul und Härte der Geopolymerscheiben bestimmt. Sowohl Härte als auch E-Modul der Geopolymere (Härte bis 1.09 GPa) lagen in der Größenordnung von Zement. Zusätzlich wurden mittels Quecksilberdruckporosimetrie die Porosität und der Porenradius der ausgehärteten Geopolymere bestimmt. Die Porositäten (20.3 – 31.6%) waren vergleichbar mit der Porosität von Zementleim. Aufgrund der gewonnen Erkenntnisse aus den durchgeführten Untersuchungen wurde geschlussfolgert, dass alle drei untersuchten kalzinierten Tonminerale als Ausgangsstoff für Geopolymere geeignet sind. Außerdem ist anzunehmen, dass auch eine Mischung der kalzinierten Tonminerale als Ausgangsstoff verwendet werden kann