Geopolymere als klimafreundlicher Betonersatz

Zementfreies Bindemittel

Der Name Geopolymer wurde von dem Chemiker Joseph Davidovits in den 1970er Jahren ins Leben gerufen. „Geo“ sollte hierbei die Nähe zu geologischen Materialien wie natürlichen Gesteinen und weiteren Mineralien verdeutlichen. Die Polymerstrukturen, die bei diesem Bindemittel entstehen, sind nicht kristalline (amorphe) Si-O-Al Gerüste. Nach Davidovits sind für diese Verwendung Metakaolin und alkalische Aktivatoren notwendig. Metakaolin enthält dabei fast kein Calcium und aus diesem Grund können gute Eigenschaften wie z. B. verbesserte Dauerhaftigkeiten erzielt werden. Grob zusammengefasst, besteht das Bindemittel also aus zwei Komponenten, einem nicht reaktiven pulverförmigen Feststoff, bestmöglich hauptsächlich bestehend aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid, und einem alkalischen Aktivator.

Man könnte bei diesem Bindemittel also von einem latent hydraulischen oder vielmehr puzzolanischen Bindemittel sprechen. Diese Bindemittel sind keine selbstständigen Bindemittel und benötigen einen Anreger, um zu erhärten. Die Definition dafür ist das Verhältnis von Calcium zu Silizium. Bei latent hydraulischen Bindemitteln liegt dieses Verhältnis CaO/SiO₂ zwischen 0,5 und 1,5 und puzzolanische Materialien haben ein Verhältnis von < 0,5. Ein Beispiel für ein latent hydraulisches Bindemittel ist das Hüttensandmehl und für Puzzolane Flugasche oder Trassmehl. Zement hingegen weist ein Verhältnis von > 1,5 auf. 

Diese Systematik wird in der folgenden Abbildung noch einmal vereinfacht erklärt. Es zeigt sich also, dass das Bindemittel, hier als „Kugel“ abgebildet, bei hydraulischen Systemen, in Kombination mit Wasser dauerhaft reagiert und somit „rollt“. Bei latent hydraulischen Bindemitteln wird ein Initiator zum Rollen benötigt, aber sobald die anfängliche Energie aufgenommen wurde, läuft die anschließende Reaktion dauerhaft ab. Bei puzzolanischen Systemen hingegen wird dauerhaft ein Anreger benötigt, damit die Reaktion abläuft und somit die Kugel in Bewegung bleibt.

Klimafreundlich, da bessere CO₂-Bilanz

Ein sehr präsentes und wichtiges Thema der heutigen Zeit ist die CO₂-Emission. Durch das starke Umweltbewusstsein werden vermehrt Sekundärrohstoffe zur Herstellung von Bindemitteln eingesetzt. Betrachtet man die schon zuvor erwähnten Bindemittel, wie z. B. das Hüttensandmehl, wird schnell klar, dass der CO₂-Ausstoß geringer ist als bei der Herstellung von Zement. Auch aus diesem Grund wird bei der Zementherstellung dem Zement Hüttensand zugeführt, da so die CO₂-Bilanz verringert wird, sich aber trotzdem sehr gute Eigenschaften erzielen lassen. Schafft man es dann, z. B. nur Hüttensand als Bindemittel zu nutzen und zu aktivieren, kann der CO₂-Ausstoß weiter reduziert werden.

MC-Bauchemie verfügt über das Knowhow und die Erfahrung, verschiedene Systeme und alternative Rohstoffe zu kombinieren sowie so zu aktivieren, dass sie als alternative Bindemittel genutzt werden können. Hierfür werden unter anderem auch Materialien verwendet, die zuvor recycelt wurden, was sich positiv auf die CO₂-Bilanz bzw. Klimafreundlichkeit auswirkt. Zusammen mit der Firma Wagners aus Australien hat MC-Bauchemie eine neue Generation von Aktivatoren auf den Markt gebracht: Wagners EFC Aktivator Typ A, B, BK und C.

Hüttensandmehl als Rohstoff für alternative, klimafreundliche Bindemittel

Der Rohstoff, der hierfür am häufigsten verwendet wird, ist Hüttensandmehl. Hüttensandmehl ist aber nicht gleich Hüttensandmehl. Dafür hilft ein Blick in die Entstehung von Hüttensand, der als Sekundärprodukt in der Strahlproduktion anfällt. Beim Hochofenverfahren wird zuerst Roheisen aus Eisenerz mit Hilfe von Koks hergestellt. Danach wird durch weitere Verfahren aus dem Roheisen Stahl hergestellt. Dazu wird in der Regel zusätzlich noch Schrott eingesetzt. Beim Schmelzen fällt feuerflüssige Hochofenschlacke an, die durch Granulation und anschließendes Mahlen zu Hüttensandmehl wird. Durch Verwendung verschiedener Rohstoffe bei der Produktion, weist das Hüttensandmehl naturgemäß verschiedene Zusammensetzungen auf, die gleichzeitig auch unterschiedliche Verhaltensweisen bei der Aktivierung als Bindemittel zeigen. MC-Bauchemie verfügt über die Expertise, die unterschiedlichen Zusammensetzungen der Aktivatoren individuell anzupassen, sodass eine Aushärtung stattfinden kann und so bestimmte Eigenschaften im Beton erzielt werden können. Damit ist es möglich, Rezepturen zu erstellen, die nicht nur auf Hüttensandmehl, sondern auch auf einer Kombination mit Flugaschen, Trassmehlen und weiteren puzzolanischen Rohstoffen als Bindemittel basieren. Dadurch ist es der MC auch möglich, weitere Rohstoffe zu nutzen, die ähnliche Zusammensetzungen aufweisen und bisher weniger als Bindemittel in Betracht gezogen wurden.

Das untenstehende Foto zeigt v. l. n. r. Fließmittel MC-PowerFlow 4100, Gemisch aus Hüttensandmehl und Flugasche, Wagners EFC Aktivatorencompound.

Zusatzmittel verbessern die Verarbeitung

Ein Nachteil bei der Verwendung alternativer Bindemittel in Kombination mit alkalischen Aktivatoren, ist die Thixotropie des Materials. Das Aktivieren führt zu einem schnellen Ansteifen und bisher gibt es keine Verarbeitungshilfen auf dem Markt. MC-Bauchemie hat jedoch Zusatzmittel, wie z. B. MC-PowerFlow 4100, 4104, 4105 und 4106 entwickelt, die die Verarbeitung signifikant verbessern. Somit lassen sich, wie in den unteren Abbildungen zu erkennen, Konsistenzklassen von erdfeuchten Betonen bis hin zu F5 Konsistenzen erreichen.

Um in Deutschland mit einem alternativen Bindemittel arbeiten zu können, benötigt man eine Zulassung. Eine solche Zulassung wird vom Deutschen Institut für Bautechnik, kurz DIBt, ausgestellt. Zusammen mit der Firma Wagners ist es MC-Bauchemie gelungen, zum ersten Mal in Deutschland überhaupt eine DIBt-Zulassung für den Earth Friendly Concrete (EFC) – einen klimafreundlichen, zementfreien Geopolymerbeton, zu erhalten.