Geopolymere statt Zement – Möglichkeiten zur Einfärbung umweltschonender Bauprodukte

Der Einsatz von Geopolymeren wird seit Jahren in der Bauindustrie mit wachsendem Interesse verfolgt. Bei der Herstellung diverser Bauprodukte finden sie mehr und mehr Verwendung, denn sie gelten als wichtiger Rohstoff, um den Carbon-Footprint der Produkte gegenüber dem klassischen zementbasierten Beton zu senken.

Doch wie steht es um die Einfärbbarkeit dieser Materialien? Oberflächen einzufärben ist in der Bauindustrie ein wichtiges Thema: Kunden verlangen nach farbigen, individualisierbaren Produkten. Das klassische Zementgrau widerspricht diesem Wunsch und ist keine erstrebenswerte Alternative.

In der jüngeren Vergangenheit gab es wiederholt Unsicherheiten und Hinweise auf mögliche Probleme, die bei einigen Geopolymersystemen in Bezug auf die Einfärbung und deren Beständigkeit beobachtet wurden. Diesem Thema haben sich deshalb in einem kooperativen Forschungsprojekt Pigmentexperten von Lanxess und der Harold Scholz & Co. GmbH gemeinsam mit der Rhein-Chemotechnik GmbH gewidmet. Die ersten Ergebnisse mit Fokus auf dem Einsatz von Eisenoxidpigmenten liegen nun vor.

Unterschiedliche Systeme – unterschiedliche Reaktionen

Der Begriff „Geopolymer“ wird im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch für alkalisch aktivierte Materialien verwendet, obwohl der Begriff streng genommen nur ein Teilgebiet solcher Systeme beschreibt. Eine Unterscheidung zwischen den Systemen ist daher sinnvoll: Zum einen sind dies kalziumreiche, alkalisch aktivierte Materialien (AAM), die aus aktivierbaren Hüttensanden und Flugaschen bestehen, und zum anderen speziellere Geopolymere, die mit kalziumarmen Metakaolinen hergestellt werden. Beide Systeme sind in der chemischen Zusammensetzung und den gebildeten Strukturen sehr unterschiedlich. Die Folge: Auch bei der Einfärbung verhalten sie sich anders.

Metakaoline und Tone sowie daraus hergestellte Geopolymere unterscheiden sich im Gegensatz zu alkalisch aktivierten Materialien und zementären Produkten in der Interaktion mit Eisenoxidpigmenten. Der Unterschied: Alkalisch aktivierte Materialien wie Hüttensande und Aschen zeichnen sich durch ihre puzzolanischen Eigenschaften aus, die – ähnlich wie der zementbasierte Beton – Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen (CSH) ausbilden. Aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkungen können sich die Eisenoxidpigmente an die entstehenden CSH-Phasen dauerhaft anlagern. Diese Wechselwirkungen können, in Abhängigkeit des verwendeten Systems und möglicher Zusatzstoffe, variieren. So bilden die Geopolymere, im Gegensatz zu den CSH-Phasen, in einer Art Kondensationsreaktion eine dreidimensionale, netzartige Struktur ohne Ladungspotenziale aus. Daraus könnten sich negative Effekte hinsichtlich der elektrostatischen Bindung des Eisenoxidpigments ergeben.

Forschungsergebnisse zeigen stabile Einfärbung

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde deshalb die Einfärbung und deren Beständigkeit in alkalisch aktivierten Materialien und Geopolymeren untersucht. Als Referenz wurde in den Versuchen auch jeweils das zementbasierte Pendant hergestellt. Die Fertigung erfolgte dabei nach Vorgaben der DIN EN 12878. Zusätzlich kamen bei der Herstellung der Muster aus Geopolymeren und alkalisch aktivierten Materialien Aktivatoren und Betonzusatzmittel der Rhein-Chemotechnik GmbH zum Einsatz. Im Anschluss an die Fertigung der Muster wurden diese farbmetrisch bewertet und in weiteren Tests ihre betontechnologischen Eigenschaften sowie die Beständigkeit der Einfärbung in der Frei- und Schnellbewitterung festgestellt.

Die Ergebnisse sind positiv. In allen Systemen zeigte sich eine gute und stabile Einfärbung, die auch in der Bewitterung bestätigt werden konnte (Bild 1). Bei der Herstellung der Proben zeigten sich jedoch Unterschiede: Alkalisch aktivierte Materialien können ähnlich den zementbasierten Mustern angemischt und verarbeitet werden, härten jedoch deutlich schneller aus. Das Geopolymer-System bietet hier ein wesentlich längeres Zeitfenster zur Verarbeitung. Allerdings ist die Präparation aufwendiger, da zunächst das Metakaolin mit dem Aktivator aufgeschlossen und anschließend dieser Leim mit Zuschlägen gefüllt wird.

Diese Unterschiede betreffen jedoch lediglich das Anmischen und das Abbindeverhalten, nicht aber die Einfärbung selbst. Alle untersuchten Bindemittel-Systeme konnten problemlos und dauerhaft eingefärbt werden. Die Forschungskooperation wird im nächsten Schritt fortgesetzt: Spezialisten der Technischen Universität Dresden werden dazu eingebunden, um detailliertere Informationen über den strukturellen Aufbau und Unterschiede in der technischen Performance der Systeme zu erhalten.