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Dienstag, 12. Dezember 2017

Werkstoffe

Geopolymere als Betonersatz

Von Bettina Reckter | 15. Juni 2017 | Ausgabe 24

Geopolymere als mineralische Bindemittel sind umweltschonender und resistenter gegenüber Chemikalien und Hitze.

Zementersatz fest
Foto: Katrin Binner/TU Darmstadt

Ausgehärtet: Bereits nach einem Tag entwickeln Geopolymere ähnliche Druckfestigkeiten wie hochfester Beton.

Beton gilt als Klimakiller – und zwar wegen des Zements, dessen Herstellung durch Mahlen und Brennen von Gestein ungeheuer energieaufwendig ist. Zudem wird dabei klimaschädliches Kohlendioxid (CO2) aus dem eingesetzten Kalk abgeschieden. Mehr als 5 % der weltweiten Emissionen an CO2 stammen demnach aus der Zementproduktion.

Nach klimafreundlichen Alternativen suchte deshalb Eddie Koenders, Bauingenieur und Leiter des Instituts für Werkstoffe im Bauwesen der TU Darmstadt – und fand Geopolymere. Das sind Zweikomponentensysteme aus einem reaktiven Feststoff, der Silizium- und Aluminiumoxide enthält, sowie einer basischen Aktivierungslösung aus Alkalihydroxiden oder -silikaten in Wasser. Wie beim Zement besteht der Feststoff aus natürlichem Gestein. Durch Mischen des gemahlenen Feststoffs mit der Aktivierungslösung entsteht dann ein steinhartes anorganisches Polymer.

Obwohl an Geopolymeren seit den 1970er-Jahren geforscht wird, haben sie den Sprung in den Massenmarkt nicht geschafft. Das könnte sich ändern, seit ihr Potenzial als klimafreundliches Bindemittel für den Bausektor erkannt wurde. „Das internationale Interesse ist groß“, freut sich Koenders, der mit Unternehmen und Forschern aus Spanien, Frankreich, Österreich und Großbritannien EU-Fördermittel beantragt hat.

Ausgangsstoff von Geopolymeren ist Metakaolin, eine hitzebehandelte Form des Tons Kaolin: Bei 600 °C verändert Kaolin seine Struktur, wird reaktiver und härtet im Mischprozess schneller aus. Allerdings braucht auch die Wärmebehandlung von Kaolin viel Energie.

Foto: Katrin Binner/TU Darmstadt

Flüssig: Die Forscher experimentieren mit verschiedenen Geopolymeren. Hier lassen sie einen Ersatz für Beton in eine Schalung fließen.

Kaolin enthält im Gegensatz zu Kalkstein kein gebundenes CO2, das im Brennprozess ausgetrieben wird. Und zum Brennen sind erheblich niedrigere Temperaturen nötig als beim Zementbrennen, was sich ebenfalls positiv auf die CO2-Bilanz auswirkt. Geopolymere auf Basis von Metakaolin verhalten sich beim Verarbeiten anders. So sind sie thixotrop: Beim Rühren oder Schütteln werden sie flüssig. Die Aktivierungslösung bewirkt zudem eine gewisse Klebrigkeit der Substanzen und erschwert das Ausschalen von Bauteilen.

„Geopolymere werden Beton und Zement in großem Maßstab nur ersetzen, wenn sie die gleiche Konsistenz aufweisen“, räumt Koenders ein. Mit seinem Team testet er deshalb verschiedene Rezepturen, um das Handling zu verbessern. Kaoline, die Eisenoxide und andere Fremdminerale enthalten, erweisen sich als geeigneter und obendrein kostengünstiger.

Auch Flugasche aus Rauchgasen oder das Vulkangestein Trass bieten sich als Beimischung an. Günstig ist sein Reichtum an Alkalimetallen. So lässt sich die Konzentration der alkalischen Aktivierungslösung reduzieren – das senkt die Kosten. Im Fokus der Forscher stehen zudem Zusätze, die dem Ersatzbeton neue Eigenschaften verleihen.

Noch gilt Zement als weltweit am häufigsten verwendeter Baustoff, doch Geopolymere könnten ihm diesen Rang für Spezialanwendungen ablaufen. Denn sie haben auch technisch Vorteile: Sie sind hitzestabiler als Beton – dessen gebundenes Wasser baut im Brandfall einen Dampfdruck auf, der zu Rissen oder Abplatzungen führt. Und sie sind resistenter gegenüber Chemikalien, da sie keinen Kalk enthalten, der sich bei Kontakt mit Säuren und aggressiven Substanzen auflöst. Bereits nach einem Tag entwickeln Geopolymere ähnliche Druckfestigkeiten wie hochfester Beton. Sie lassen sich schnell ausschalen und eignen sich für die Massenproduktion von Fertigteilen.

Zurzeit experimentieren die Darmstädter Forscher mit chemikalienbeständigen Abwasserrohren aus Geopolymeren. Diese seien zwar derzeit noch teurer als solche aus Zement oder Beton, sagt Koenders, doch ihre Dauerhaftigkeit rechtfertige durchaus den höheren Preis.

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