Geopolymerbinder ­

Ökologische und ökonomische Analysen von Geopolymer-beton-­Mischungen für Außenbauteile

 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.

Hintergrund

Die Entwicklung alternativer Bindemittel erfährt derzeit eine Renaissance. Grund hierfür sind zum einen die steigenden Kosten für primäre Rohstoffe (bzw. deren regionale Verknappung), zum anderen aber auch ein wachsendes Bewusstsein für Umweltprobleme. Auf der Umweltseite können sehr unterschiedliche Zwänge beobachtet werden. In den führenden Industrie­nationen steht auch aufgrund des Emissionshandels die Reduktion von CO2 Emissionen bei der Herstellung von Zementen im Vordergrund. In den aufstrebenden Industrienationen, wie z.B. Indien und China, sind darüber hinaus bislang keine ausreichenden Verwertungspfade für industrielle Abfälle entwickelt, sodass für den hohen Anfall an Aschen und Schlacken Verwertungsop­tionen gesucht werden. Mit den auf Geopolymer (GP) basierten Bindemitteln ist die Hoffung geknüpft sowohl die massenhafte Deponierung von Aschen und Schlacken zu verhindern, mit entsprechender Schonung primärer Rohstoffe, als auch deutlich geringere Mengen an Treibhausgasen, im Vergleich zu Zement basierten Bindemitteln, zu emittieren.

 

Einführung

Geopolymere repräsentieren ein alumosilikatisches Bindemittelsystem [1-3], welches bereits seit den späten 60er Jahren bekannt ist [4]. Bislang wurden Geopolymere nie in größeren Massen bzw. über längere Zeiträume für industrielle An­wendungen hergestellt. Aus Osteuropa und Russland sind einige wenige industrielle Anwendungen, beispielsweise als Bahnschwellen, bekannt. Aus neuerer Zeit wird dies auch aus ­Spanien berichtet [5], allerdings wurde die Produktion nach kurzer Zeit eingestellt. Eine Mischung aus Zement und Geopolymer fand unter der Marke Pyrament in den 90er Jahren eine bedeutsame Anwendung in den USA. Der Zementhersteller Lone Star Industries setzte Pyrament im Tief- und Straßenbau, für die Erzeugung von schnell nutzbaren Fahrbahnen (z.B. Flugzeuglandebahnen für militärische Einsatzzwecke) aber auch im Wasserbau ein [6]. Diese Anwendungen von Pyrament wurden allerdings von Lone Star 1996 eingestellt. Gegenwärtig werden in den USA Geopolymere für die Instandsetzung von Abwasserrohren eingesetzt [7]. In Deutschland wurde eine Anlage der Firma HT Troplast für die industrielle Herstellung von geschäumten Geopolymer-Formteilen „TROLIT“ [8] kurz nach der Inbetriebnahme wieder geschlossen. Folgende bestehenden Nischenanwendungen von alkali-aktivierten Bindemitteln bzw. Geopolymeren mit sehr geringen Produktionsmengen konnten in Europa identifiziert werden1:  


Renotech (Finnland)Feuerfester Kleber auf ­GeopolymerbasisHQ Camfil (Schweden)Luftfilter vermutlich auf GeopolymerbasisPyromeral (Frankreich)Verschiedene Spezialprodukte auf GeopolymerbasisTechn. of Geopolymer (Tschechien)Kundenspezifische SpezialprodukteF. Willich GmbH (Deutschland)Abgasstrecken, Isolationsprodukte vermutlich auf GeopolymerbasisBPS-Zwickau (Deutschland)Verfestigung und Immobilisierung toxischer oder radio­ak­tiver Rückstände durch GeopolymereKeraguss (Deutschland)Produkte für thermische Isolierung oder Brandschutz vermutlich auf GeopolymerbasisMC Bauchemie (Deutschland)Säurebeständige Oberflächenbeschichtung und Reparatur­mörtel für den Abwasserbereich in Kläranlagen, vermut­lich auf Geopolymerbasis


Dem Einsatz von Geopolymeren als Massenbaustoff werden nennenswerte CO2- Emissionsreduktionspotentiale zugeschrieben [9]. Obwohl zahlreiche Untersuchungen zeigen, dass Geopolymere aufgrund ihrer technischen Eigenschaften für unbewehrte und bewehrte Betonanwendungen tauglich erscheinen und darüber hinaus internationale Zementbeton-Regelwerke erfüllen [10-11] kann derzeit weltweit keine Geopolymer Anwendung als Massenbaustoff festgestellt werden.  

Alleinig aus Australien wird von einer industriellen Anwendung als Baustoff berichtet. Die kürzlich in Australien gegründete Firma Zeobond mit der Marke E-Crete, möchte in den nächsten Jahren verschiedene Bauprodukte auf Geopolymer-Basis anbieten [12]. Insgesamt kann gesagt werden, dass es in Australien aktuell eine intensive Forschung zu Geopolymer-Anwendungen gibt.

 

Entwicklung von Geopolymer-Basisrezepturen
für Betonanwendungen

Für die Entwicklung von Basisrezepturen von Geopolymeren als Massenbaustoff in Betonanwendungen wurde ein intensives Rohstoff-Screening vorangestellt. Hierbei wurden 58 primäre und sekundäre Rohstoffe hinsichtlich ihrer Eignung untersucht [13]. Das Rohstoff-Screening umfasste verschiedene mineralische Abfälle, Aschen, Schlacken, Tone und vulkanische ­Ablagerungen. Neben der technischen Eignung wurden auch ökonomische und ökologische (inklusive Gesundheits-) Aspekte für die Identifizierung der aussichtsreichsten Rohstoffe herangezogen [14-15]. Für die Feststellung der technischen Eignung wurden an allen Rohstoffen Tastversuche durchgeführt. Diese Tastversuche umfassten Beispielsweise das Lösen von Silikat- und Aluminat-Monomeren in alkalischer Lösung oder die Messung der Druck- und Biegzugfestigkeit [16]. 

Für die definierte Anwendung von Geopolymeren als Massenbaustoffmischung für Außenwandelemente wurde ein Anforderungsprofil erstellt. Mithilfe von Methoden der Multikriteriellen Entscheidungsunterstützung (Multi-Criteria Decision Analysis – MCDA –) konnten Steinkohleflugaschen (hard coal fly ash, SFA) und Hüttensand (fein gemahlene Hochofenschlacke, ground granulated blast furnace slag - ggbfs -) als aussichtsreichste Feststoffkomponenten für diese Anwendung identifiziert werden [15,17]. Hingegen war die Verwendung von z.B. Metakaolin zwar aus technischer Perspektive interessant, allerdings aufgrund ökonomischer und ökologischer Defizite nicht als Bindemittel-Hauptkomponente für die Herstellung von Massenbaustoffen geeignet. 

Für die Verwendung von Geopolymer-Beton als Außenwandteil wurden drei Basisrezepturen mit Flug­aschen und Hüttensand als Hauptkomponenten entwickelt (Tab. 1). Technische Zielgrößen für die Rezepturen waren jeweils eine hohe Festigkeit bzw. eine schnelle Festigkeitsentwicklung sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber Frost-Tau- und Frost-Tausalz-Angriff (Dauerhaftigkeit). Als flüssiger Aktivator kam ein Gemisch aus einer Wasser­glaslösung (Woellner Natriumsilikat 37/38, Na2O ca. 8 %) und einer NaOH/Wasser-Lösung zum Einsatz (Tab. 1).

 Den Geopolymer-Betonen (GP-Betone) wurde ein Portlandzement-Beton vergleichend gegenüber gestellt. Im Hinblick auf die ökologischen und ökonomischen Analysen und Bewertungen ist es notwendig, auf die gleiche Funktionserfüllung von beiden Betonarten zu achten. Nur hierdurch kann ein adäquater Vergleich der verschiedenen Systeme erfolgen und weiterführende Erkenntnisse erlangt werden. Als funktionelle Vergleichseinheit wurde deshalb ein Frost-Tau- bzw. Frost-Tausalz-Beständiger Beton, der mindestens die Vorgaben der Expositionsklassen XF2 und XF4 nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 erfüllen muss. Entsprechend der genannten Normen muss der Zement-Beton eine Mindestzementmenge von 320 kg/m³ und einen w/z-Wert von 0,5 aufweisen. Aufgrund von Erfahrungswerten wurde eine um 20 kg höhere Zementmenge für die Zementbeton-Mischung eingesetzt. Folgende Parameter wurden ebenfalls für die Verbesserung der Vergleichbarkeit in beiden Betonarten gleich gehalten:

» Keinen Einsatz von Betonzusatzmitteln2

» Gleiche Menge und Sieblinie der Gesteinskörnung

» Gleiches Volumenverhältnis Bindemittelpaste und Gesteinskörnung

 

Technische Eigenschaften der Basismischungen

Verschiedene Frisch- und Festbetonuntersuchungen wurden durchgeführt. Detaillierte Ergebnisse wurden bereits publiziert [18]. Die wesentlichen Erkenntnisse können wie folgt zusammengefasst werden:

» ­mit Zunahme des Gehaltes an Hüttensand und Abnahme des Gehaltes an Steinkohlenflugasche nehmen die Festigkeiten von MI-1 über MI-3 zu MI-5 zu

» ­MI-3 mit dem Verhältnis von Asche : Hüttensand = 50 : 50 erfüllt wie die Referenzmischung (CEM I- Beton) bezüglich Festigkeit die XF4-Anforderungen mit C 30/37 nach 28 Tagen

» die hüttensandreiche Geopolymermischung MI-5 kann sogar der Festigkeitsklasse C 35/45 zugeordnet (vergleiche Bild 7)

» die aschereiche Geopolymermischung MI-1 unterschreitet die Festigkeitsanforderungen deutlich und kann nur der Festigkeitsklasse C 12/15 zugeordnet werden

» ­­MI-1 versagte ebenfalls sowohl hinsichtlich Frost-Tau-Angriff (CF) als auch beim Frost-Tausalz-Angriff (CDF)

» MI-3 besteht die CF-Prüfung in gleicher Qualität wie der CEM I-Referenzbeton

» die CDF-Prüfung wird sowohl von MI-3 sowie dem CEM I-Referenzbeton nicht bestanden3, d. h. die Abwitterung beträgt mehr als 1500 g/m² nach 28 Frost-Tau-Wechseln

» MI-5 besteht sowohl den CF- als auch den CDF-Test und weist damit bei beiden Prüfungen eine höhere Beständigkeit als der Referenzbeton (Portlandzement-Beton) auf.

 

Aufgrund der technischen Überlegenheit von MI-5 wird für die weiterführenden Optimierungsschritte diese Rezeptur weiter betrachtet.

 

Ökonomische Analyse der Basismischungen

Ein Rohstoffkostenvergleich wurde für die Herstellung von Geopolymer-Beton und CEM I-Beton durchgeführt, unter der Annahme, dass ein Betonhersteller alle Rohstoffe extern einkaufen muss. Angefragt wurden die Preise für das Referenzjahr 2007 zu Konditionen eines Grossabnehmers in Deutschland. Die deutlichen Unterschiede zwischen den minimalen und maximalen Herstellungskosten von Betonen in Abb. 2 ergeben sich aus den stark variierenden Angaben der Rohstoffkosten und Datenunsicherheiten (z.B. bei Hüttensanden).

 Es zeigt sich, dass mit abnehmenden Flugasche-Gehalten und zunehmenden Hüttensand-Gehalten sowie mit abnehmendem Na-Hydroxid und zunehmendem Na-Wasserglas (von MI-1 zu MI-5) die (minimalen und maximalen) Kosten steigen. Die geringsten Herstellungskosten der Geopolymere liegen im besten Fall unter den minimalen Kosten des CEM I-Betons, die maximalen Kosten liegen im schlechtesten Fall oberhalb der maximalen Kosten des CEM I-Betons. 

Trotz der weiten Kostenspanne zeigt Abb. 2 prinzipiell, dass Geopolymer basierende Betone wirtschaftlich konkurrenzfähig zu Portlandzement basierten Systemen sein können. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Geopolymer-Systeme im Vergleich zu vergleichbaren Zement-Systemen noch deutliche Optimierungspotentiale aufweisen, zumal die GP-Systeme noch am Anfang einer spezifischen Lernkurve (z.B. [19]) stehen. 

Auf der anderen Seite könnten sich die Kosten und Umweltbelastungen für Zement-Betone durch den Einsatz von Mischzementen (CEM II oder CEM III), soweit der Einsatz nach DIN EN 206-1/DIN 1045‑2 möglich ist, um einstellige Prozentpunkte reduzieren. 

Um die Kostentreiber zu identifizieren sind in Abb. 3 die Rohstoffkosten für beide Betonarten aufgeschlüsselt. Neben der Gesteinskörnung (Kies, Sand) als Hauptkomponente (ca. 80 M.‑%)4 in beiden Mischungen, ist auf Seiten des Zement-Betons der Zement der wesentliche Kostentreiber. Hingegen beim GP-Beton tragen im geringeren Umfang Steinkohle-Flugasche, nennenswert sowohl die Feststoffkomponenten Hüttensand als auch der Aktivator Na-Hydroxid, deutlich das Na-Wasserglas zu den Gesamtkosten bei. Die spezifisch höchsten Kosten hat dabei das Na-Wasserglas inne.


Ökologische Bewertung der Basismischungen

Systemgrenzen, Funktionelle Einheit,
Basisdaten und Indikatoren

Für eine ökologische Bewertung der Geopolymer-Betone wurde eine Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Assessment – LCA –) nach DIN ISO 14040 ff [20] durchgeführt. Betrachtet wird in dieser Untersuchung die Phase von der Ressourcenentnahme bis zur Herstellung des Produktes (cradle to gate), allerdings zunächst ohne Transportaufwendungen5. Die Systemgrenzen sind in Abb. 4 dargestellt. Funktionelle Einheit ist 1 m³ Beton der Expositionsklassen XF2 und XF4 nach DIN EN 206‑1/DIN 1045-2 [18]. Die Sachbilanzdaten (life cycle inventory data – LCI –) der einzelnen Rohstoffe und Prozesse stammen aus unterschiedlichen Quellen (Tab. 2).

Die meisten Daten für die Rohstoffe wurden aus der Ecoinvent Datenbank [21] entnommen6. Für Flugaschen und Hüttensand wurden Daten von der Industrie und aus der ­Literatur herangezogen. Da es sich bei Flugaschen und Hüttensanden um Abfälle handelt, wurden keine Vorkettenbelastungen angelastet7. Allerdings sind die zusätzlichen Aufwendungen, um für Betonanwendungen geeignete Rohstoffe zu erhalten, berücksichtigt. Im Fall von Flugasche sind diese gering (Zwischenlagerung, Auflockerung), hingegen bei Hüttensand sind diese relativ hoch (Feinmahlung).

 Für die Wirkungsabschätzung der Ökobilanz (Life Cycle Impact Assessment) wurde die CML-Methode [22] verwendet. Die Methode berücksichtigt verschiedene Umweltwirkungen mit entsprechenden Umweltwirkungs-Indikatoren. Zwei für diesen Vergleich wichtige Umwelt-Indikatoren (GWP, ADP) werden herausgestellt:

» GWP (Global warming potential, [kg CO2 equivalent])  berücksichtigt alle Gas-Emissionen (z.B. CO2, CH4, N2O und FCKW’s) die zum Treibhauseffekt beitragen

» ADP (Abiotic resource depletion potential , [kg Sb equivalent]) wird als Indikator für den Verbrauch von natürlichen, nicht lebenden, nicht regenerierbaren Ressourcen (z.B. Metall-Erze, Erdöl) verwendet 


Zusätzlich wird der Kumulierte Energieaufwand – KEA – (cumulative energy demand – CED –) ausgewiesen, als Summen-Indikator für den primären Energieverbrauch.

Für die Bewertung der Betonherstellung wäre auch die Ausweisung eines Indikators für die Gefährdung der Menschlichen Gesundheit (indicator for human toxicity) äußerst sinnvoll und interessant. Allerdings wird diese Art der Auswertung und Bewertung aufgrund von Datenlücken auf der Sachbilanzebene nicht unterstützt. Aus diesem Grund ist die Verwendung von Bewertungsverfahren mit nur einem ökologischen Indikator (single score indicator) wie Beispielsweise Eco-indicator 99 [23] in diesem Fall nicht Ziel führend.

 

Vergleich nicht optimierter Basismischungen mit CEM I-Beton

In Abb. 5 sind Ergebnisse der Umweltauswirkungen dargestellt. Vergleichbar zu den ökonomischen Analysen nehmen die Werte der Umweltindikatoren von Geopolymer-Betonen mit zunehmenden Hüttensand- und Wasserglasgehalten (bzw. abnehmenden Flugasche- und Na-Hydroxid-Gehalten) bei allen drei betrachteten Umweltindikatoren (GWP, ADP und CED) zu.

 Ein bivalentes Ergebnis lässt sich aus dem Vergleich der Geopolymer-Betone mit dem Zement-Beton entnehmen. Auf der einen Seite zeigt sich, dass der Zement-Beton gegenüber den nicht optimierten GP-Betonen einen bis zu ca. 40 % geringeren Ressourcenverbrauch (ADP) verursacht. Auf Seiten der GP-Betone sind die Aufwendung der Herstellung von Wasserglas und Hydroxid die wesentlichen Treiber des Ressourcenverbrauches, neben der Verwendung von Kies und Sand und dem Mahlaufwand für den Hüttensand. Auf Seiten des Zement-Betons dominiert neben der Gesteinskörnung bei weitem die Herstellung des Zementes den Ressourcenverbrauch. 

Ebenfalls ist der Energieverbrauch (CED) des Zement-Betons gegenüber den GP-Betonen um bis zu ca. 40 % geringer. Auf Seiten der Geopolymere sind hier wieder die Aufwendung der Herstellung von Wasserglas und Hydroxid die wesentlichen Treiber des Energieverbrauchs, neben der Verwendung von Kies und Sand und dem Mahlaufwand für den Hüttensand. Auf Seiten des Zement-Betons dominiert ebenfalls bei weitem der Zement den Energieverbrauch.

 Auf der anderen Seite lassen sich hinsichtlich des Treibhaus­potential-Indikators GWP klare Vorteile auf Seiten des GP-Betons feststellen. Die GP-Betone verursachen ein um mehr als 50 % geringeres Treibhauspotential als der Zement-Beton. Abb. 6 zeigt, dass die Aktivatoren Natrium-Wasserglas und ­Natrium Hydroxid wesentlichen zum GWP beitragen, obwohl die eingesetzten Mengen relativ gering sind (vergleiche Tab. 1).

 Auf Seiten des Zement-Betons wird das Treibhaus­potential nahezu gänzlich durch die Zementherstellung dominiert (97 %). Dabei entstehen die Treibhausgase, in diesem Fall hautsächlich CO2, sowohl durch den Einsatz von Energie (insbesondere Brennstoffe) bei dem Brennprozess, als auch durch die Entsäuerungsreaktion des Kalksteines, bei dem CO2 frei wird [24].

 

Optimierung der Geopolymer-Betone

Die aus den ökonomischen und ökologischen Analysen gewonnenen Erkenntnisse können nunmehr für die Optimierung der Geopolymerbeton-Rezepturen herangezogen werden. Allerdings kann die alleinige Optimierung der GP-Betone hinsichtlich ökonomischer und ökologischer Aspekte nicht als zielführend erachtet werden, da sonst ggf. die technische Performance der Geopolymere sich unbeabsichtigt wieder verschlechtert. 

Bei dem Optimierungsschritt werden folgende Ziele mit ihren Präferenzen verfolgt:

» Stabilisierung der technischen Eigenschaften

» Verbesserung der ökologischen Eigenschaften

» Verringerung der Herstellungskosten

 

Ausgangspunkt für die Optimierung war die Basismischung MI-5 (mit 80 % Hüttensand und 20 % Steinkohlenflugasche als Feststoff, Tab. 1), die auf der technischen Seite dem Referenz-Zementbeton hinsichtlich Druckfestigkeit und Frost-Tausalz-Beständigkeit nennenswert überlegen war [18]. Sowohl die ökonomischen Analysen als auch die ökologischen Analysen haben gezeigt (Abb. 3, Abb. 6), dass die Aktivatoren Wasserglas und Na-Hydroxid wesentlich zu den Herstellungskosten bzw. Umweltbelastungen beitragen. Aus diesem Grund wurden verschiedene Ansätze verfolgt, um die Menge der Aktivatorlösung zu reduzieren. Ferner haben weitere Untersuchungen gezeigt [25], dass sich eine Wärmebehandlung der Geopolymer-Betone („heat curing“), je nach Umfang und Gestaltung, stark auf das Kosten- und Umweltprofil auswirken kann8. Deshalb sollten bevorzugt Rezepturen entwickelt werden, die keine Wärmebehandlung zur Sicherstellung der technischen Eigenschaften benötigen.

Unter den technischen, ökonomischen und ökologischen Aspekten hat sich die Rezeptur MI-6IS/20°C (Tab. 3) bei dem Optimierungsschritt als besonders aussichtsreich herausgestellt. Es handelt sich dabei um eine Geopolymer-Mischung, bei der 50 % des Na-Wasserglas- und 50 % des Na-Hydroxid-Gehaltes reduziert wurde, im Vergleich zu MI-5. Kompensiert wurde die reduzierte Aktivatorlösung durch den Einsatz eines flüssigen reaktiven Abfallstoffes9. Die genaue Zusammensetzung der Rezeptur ist in Tab. 3 dargestellt. Beim Herstellungsprozess dieses Geopolymer-Betons wurde auf eine aktive Wärmebehandlung verzichtet, d.h. dieser Beton wurde bei Raumtemperatur (ca. 20 °C) gelagert [18].


Auswirkung der Optimierung auf die technische ­Performance

Der optimierte Geopolymer-Beton MI-6IS/20 °C zeigt trotz fehlender Wärmebehandlung und reduzierter Menge an primärer Aktivatorlösung (durch Austausch mit reaktivem Flüssigabfall) eine verbesserte technische Performance. Bereits der Geopolymer-Beton MI-5 erreichte Druckfestigkeitswerte von ca. 60 MPa nach 28 Tagen, während der Referenz-Zement­beton lediglich ca. 46 MPa aufweist [18]. Der Geopolymer-Beton MI-6IS übertrifft die Druckfestigkeit von MI-5 und erreicht schon nach 28 Tagen Werte > 70 MPa (Abb. 7). 

Die Dauerhaftigkeitsuntersuchungen an den Betonen erfolgte über den Frost-Tau- bzw. Frost-Tausalz-Widerstand, ermittelt im CF- bzw. CDF-Test [18]. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass alle Geopolymermischungen auf der Basis von Hüttensand und Flugasche grundsätzlich einen sehr guten Frost-Tau-Wechsel-Widerstand aufweisen. Die Abwitterung aller Geopolymer-Betone lag deutlich unter dem Grenzwert von 1500 g/m³ nach 28 Frost-Tau-Wechseln (Abb. 8). Die besten Dauerhaftigkeitseigenschaften zeigte die optimierte Mischung MI‑6/lS20°C (Austausch des Aktivators durch reaktiven Reststoff, reduzierter Wasserglasgehalt, keine Temperaturbehandlung). Hinsichtlich der Frost-Tau- als auch der Frost-Tausalz-Beständigkeit konnten Abwitterungen kleiner 300 g/m² ermittelt werden.

 

Auswirkung der Optimierung auf die ökologische ­Performance

In Abb. 9 sind die Umweltprofile der untersuchten Betone dargestellt. Die Analyse-Ergebnisse zeigen, dass sich durch den Austausch des Aktivators durch einen reaktiven Abfallstoff im Fall von MI-6 das Umweltprofil gegenüber dem Ausgangs-Geopolymer MI-5 deutlich verbessert. Im Vergleich des Geopolymer-Betons mit dem Referenz-Zementbeton werden durch den Optimierungsschritt vergleichbare Werte im Fall des kumulierten (primären) Energieaufwandes KEA (CED) und im Fall des Ressourcenverbrauches (ADP) erreicht. Hingegen wird durch die Optimierung ein um 70 % geringerer Beitrag beim Treibhauspotential (GWP) erzielt, was als ein wesentlicher Umweltvorteil des Geopolymer-Betons betrachtet werden kann.

 Diese umweltbezogenen Ergebnisse sind auch im Fokus der technischen Untersuchung zu betrachten (Abb. 7 und Abb. 8), zumal der optimierte GP-Beton MI-6 auch deutliche Vorteile bei der Druckfestigkeit und den Frost-Tau- bzw. Frost-Tausalz-Widerstands-Untersuchungen aufweist. Diese Vorteile auf der technischen Seite können für weitere Optimierungsschritte genutzt werden, z.B. durch weitere Verringerung der aktiven Materialien oder Reduktion der Dimensionierung eines Bauteilelementes, mit entsprechender Verbesserung des Umweltprofils. Alternativ ist zu bewerten, in welchem Maße die erhöhte technische Performance sich positiv auf eine  erhöhte Dauerhaftigkeit und somit verlängerte Nutzungsphase auswirkt.

 

9 Zusammenfassung und Diskussion

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 [27]. 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 Steinkohlenflugaschen 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 Bindersysteme als Recycling­option an. In jedem Fall besteht auf der technischen Seite die Herausforderung darin, auch Braunkohlenflugaschen für die Herstellung von Geopolymerprodukten nutzbar zu machen, um nicht in Nutzungskonkurrenz (z. B. Steinkohlenflugasche) mit anderen Systemen zu geraten. Allerdings werden in Industrieländern nur sehr untergeordnet von Braunkohlekraftwerksbetreibern die anfallenden Braunkohlenflugaschen unter Verwertungsgesichtspunkten betrachtet. Den Problematiken der Störstoffe und Qualitätsschwankungen von Braunkohlenflugaschen, wichtige Parameter für ein hochwertiges Recycling in Bindemittelsystemen, werden von Kraftwerksbetreibern aus diesem Grund wenig Beachtung geschenkt, obwohl gesamtwirtschaftlich Ressourceneinsparpotentiale offensichtlich sind.

In Geopolymersystemen werden die primären und/oder sekundären Feststoffe mittels stark alkalischer Flüssig­kei­ten aktiviert. Traditionell werden Natrium-/Kalium-Wasserglas sowie Natrium-/Kalium-Hydroxid hierfür eingesetzt. Beide Chemikalien stammen aus Ressourcen-intensiven und Energie-intensiven Prozessen.

 Dies erklärt den starken Einfluss der Aktivatoren auf das ökonomische und ökologische Profil von Geopolymer-Betonen, auch bei moderaten Einsatzmengen.  Bei einem Optimierungsschritt der Geopolymerbeton-Rezepturen würde die alleinige Reduktion des Aktivator-Anteils auf der technischen Seite zu Performanceeinbußen führen. Aus diesem Grund wurde nach einem sekundären reaktiven Ersatzstoff gesucht, der zumindest teilweise den Einsatz von primärer Aktivatorflüssigkeit ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Optimierung bestätigen die angestrebte verbesserte Umweltperformance, zeigen aber auch weitere Verbesserungen auf der technischen Seite. Insbesondere aus den überragenden Dauerhaftigkeitsergebnissen der optimierten Geopolymer-Beton-Rezeptur lassen sich weitere Umweltvorteile durch eine verlängerte Lebensdauer ableiten. Allerdings stellt sich auch in diesem Falle die Frage nach der Verfügbarkeit solcher reaktiven Abfälle für eine Massenanwendung. Aus diesem Grund würde es sich anbieten, die Standortwahl einer Produktionsstätte von Geopolymer-Betonen, insbesondere hinsichtlich der Ressourcenverfügbarkeit (ausreichende Qualität und Quantität), auszurichten.


Marcel Weil, Anja Buchwald, Katja Dombrowski-Daube

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